เส้นสเปกตรัม - นี่อาจเป็นหนึ่งในหัวข้อสำคัญที่ได้รับการพิจารณาในหลักสูตรฟิสิกส์เกรด 8 ของหมวดทัศนศาสตร์ เป็นสิ่งสำคัญเพราะช่วยให้เราเข้าใจโครงสร้างอะตอมรวมทั้งใช้ความรู้นี้เพื่อศึกษาจักรวาลของเรา ลองพิจารณาปัญหานี้ในบทความกัน
แนวคิดของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า
ก่อนอื่น เรามาอธิบายว่าบทความนี้จะเกี่ยวกับอะไร ทุกคนรู้ดีว่าแสงแดดที่เราเห็นคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นใด ๆ มีลักษณะเฉพาะด้วยพารามิเตอร์ที่สำคัญสองประการ - ความยาวและความถี่ของมัน (คุณสมบัติที่สามที่สำคัญไม่น้อยคือแอมพลิจูดซึ่งสะท้อนถึงความเข้มของรังสี)
ในกรณีของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า พารามิเตอร์ทั้งสองมีความสัมพันธ์กันในสมการต่อไปนี้: λν=c โดยที่ตัวอักษรกรีก λ (แลมบ์ดา) และ ν (nu) มักแสดงถึงความยาวคลื่นและความถี่ตามลำดับ และ c คือความเร็วแสง เนื่องจากค่าหลังเป็นค่าคงที่ของสุญญากาศ ความยาวและความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงแปรผกผันกัน
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในฟิสิกส์เป็นที่ยอมรับตั้งชื่อชุดของความยาวคลื่นต่างๆ (ความถี่) ที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดรังสีที่สอดคล้องกัน หากสารดูดซับแต่ไม่ปล่อยคลื่น แสดงว่ามีการดูดซับหรือสเปกตรัมการดูดกลืน
สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าคืออะไร
โดยทั่วไป มีสองเกณฑ์สำหรับการจัดประเภท:
- ตามความถี่ของรังสี
- ตามวิธีการแจกแจงความถี่
เราจะไม่พิจารณาการจัดประเภทประเภทที่ 1 ในบทความนี้ ในที่นี้เราจะกล่าวเพียงสั้นๆ ว่ามีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูง ซึ่งเรียกว่ารังสีแกมมา (>1020 Hz) และเอ็กซ์เรย์ (1018 -10 19 Hz). สเปกตรัมอัลตราไวโอเลตมีความถี่ต่ำกว่าแล้ว (1015-1017 Hz) สเปกตรัมที่มองเห็นหรือแสงอยู่ในช่วงความถี่ 1014 Hz ซึ่งสอดคล้องกับชุดของความยาวตั้งแต่ 400 µm ถึง 700 µm (บางคนสามารถเห็น "กว้างขึ้น" ได้เล็กน้อย: ตั้งแต่ 380 µm ถึง 780 µm) ความถี่ที่ต่ำกว่าสอดคล้องกับสเปกตรัมอินฟราเรดหรือความร้อน เช่นเดียวกับคลื่นวิทยุซึ่งมีความยาวหลายกิโลเมตรแล้ว
ในบทความต่อไป เราจะพิจารณาการจัดประเภทประเภทที่ 2 อย่างละเอียดยิ่งขึ้น ซึ่งมีระบุไว้ในรายการด้านบน
เส้นและสเปกตรัมการปล่อยอย่างต่อเนื่อง
สารใดๆ ถ้าถูกความร้อนก็จะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ความถี่และความยาวคลื่นจะเป็นอย่างไร? คำตอบสำหรับคำถามนี้ขึ้นอยู่กับสถานะของการรวมตัวของสารที่กำลังศึกษา
ของเหลวและของแข็งปล่อยออกมาตามกฎแล้ว ชุดความถี่ที่ต่อเนื่องกัน นั่นคือความแตกต่างระหว่างพวกมันมีขนาดเล็กมากจนเราสามารถพูดถึงสเปกตรัมต่อเนื่องของรังสีได้ ในทางกลับกัน หากก๊าซปรมาณูที่มีความดันต่ำได้รับความร้อน ก็จะเริ่ม "เรืองแสง" โดยปล่อยความยาวคลื่นที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด หากส่วนหลังได้รับการพัฒนาบนฟิล์มถ่ายภาพ พวกมันจะเป็นเส้นแคบ ๆ ซึ่งแต่ละเส้นจะรับผิดชอบความถี่เฉพาะ (ความยาวคลื่น) ดังนั้นรังสีชนิดนี้จึงถูกเรียกว่าสเปกตรัมการปล่อยเส้น
ระหว่างเส้นและต่อเนื่องมีสเปกตรัมประเภทกลางซึ่งมักจะปล่อยโมเลกุลมากกว่าก๊าซอะตอม ประเภทนี้เป็นแถบแยก ซึ่งเมื่อตรวจสอบอย่างละเอียดแล้ว จะประกอบด้วยเส้นแคบๆ แยกกัน
เส้นสเปกตรัมดูดกลืนแสง
ทั้งหมดที่กล่าวมาในย่อหน้าก่อนหน้านี้อ้างถึงการแผ่รังสีของคลื่นโดยสสาร แต่ก็มีการดูดซึม ลองทำการทดลองตามปกติ: ลองใช้ก๊าซปรมาณูที่ปล่อยความเย็นออกมา (เช่น อาร์กอนหรือนีออน) แล้วปล่อยให้แสงสีขาวจากหลอดไส้ผ่านไป หลังจากนั้น เราวิเคราะห์ฟลักซ์แสงที่ผ่านแก๊ส ปรากฎว่าหากฟลักซ์นี้สลายตัวเป็นความถี่เดี่ยว (สามารถทำได้โดยใช้ปริซึม) แถบสีดำจะปรากฏในสเปกตรัมต่อเนื่องที่สังเกตได้ ซึ่งบ่งชี้ว่าความถี่เหล่านี้ถูกดูดซับโดยแก๊ส ในกรณีนี้ มีคนพูดถึงสเปกตรัมการดูดกลืนเส้น
กลางศตวรรษที่ XIX. นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันชื่อกุสตาฟKirchhoff ค้นพบคุณสมบัติที่น่าสนใจมาก: เขาสังเกตเห็นว่าสถานที่ที่เส้นสีดำปรากฏบนสเปกตรัมต่อเนื่องนั้นสอดคล้องกับความถี่ของการแผ่รังสีของสารที่กำหนด ปัจจุบัน ฟีเจอร์นี้เรียกว่ากฎของ Kirchhoff
ชุดยาหม่อง ลิมัน และปาเชน
ตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ทั่วโลกพยายามทำความเข้าใจว่าเส้นสเปกตรัมของรังสีคืออะไร พบว่าแต่ละอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีที่กำหนดภายใต้สภาวะใด ๆ มีการแผ่รังสีเหมือนกัน กล่าวคือ มันปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่เฉพาะเท่านั้น
การศึกษารายละเอียดครั้งแรกของปัญหานี้ดำเนินการโดย Balmer นักฟิสิกส์ชาวสวิส ในการทดลองของเขา เขาใช้ก๊าซไฮโดรเจนที่ให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง เนื่องจากอะตอมของไฮโดรเจนเป็นธาตุที่ง่ายที่สุดในบรรดาองค์ประกอบทางเคมีที่รู้จักทั้งหมด จึงง่ายที่สุดที่จะศึกษาคุณลักษณะของสเปกตรัมการแผ่รังสีในอะตอม Balmer ได้ผลลัพธ์ที่น่าทึ่ง ซึ่งเขาเขียนไว้เป็นสูตรต่อไปนี้:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
ที่นี่ λ คือความยาวของคลื่นที่ปล่อยออกมา RH - ค่าคงที่บางค่า ซึ่งสำหรับไฮโดรเจนจะเท่ากับ 1, 097107 m -1, n เป็นจำนวนเต็มที่เริ่มจาก 3, เช่น 3, 4, 5 เป็นต้น
ความยาวทั้งหมด λ ซึ่งได้มาจากสูตรนี้ อยู่ในสเปกตรัมแสงที่มนุษย์มองเห็นได้ ชุดค่า λ สำหรับไฮโดรเจนนี้เรียกว่าสเปกตรัมยาหม่อง
หลังจากนั้น นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน Theodore Liman ได้ค้นพบสเปกตรัมไฮโดรเจนอัลตราไวโอเลตโดยใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสม ซึ่งเขาอธิบายด้วยสูตรที่คล้ายกับของ Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
ในที่สุด ฟรีดริช ปาเชน นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันอีกคนหนึ่ง ได้รับสูตรสำหรับการปล่อยไฮโดรเจนในบริเวณอินฟราเรด:
1/λ=RH(1/9/n2).
อย่างไรก็ตาม มีเพียงการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมในทศวรรษ 1920 เท่านั้นที่สามารถอธิบายสูตรเหล่านี้ได้
รัทเธอร์ฟอร์ด บอร์กับแบบจำลองอะตอม
ในทศวรรษแรกของศตวรรษที่ 20 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษจากนิวซีแลนด์) ได้ทำการทดลองหลายครั้งเพื่อศึกษากัมมันตภาพรังสีขององค์ประกอบทางเคมีต่างๆ จากการศึกษาเหล่านี้ อะตอมรุ่นแรกๆ จึงถือกำเนิดขึ้น รัทเทอร์ฟอร์ดเชื่อว่า "เมล็ดพืช" ของสสารนี้ประกอบด้วยนิวเคลียสบวกทางไฟฟ้าและอิเล็กตรอนเชิงลบที่หมุนอยู่ในวงโคจรของมัน กองกำลังคูลอมบ์อธิบายว่าทำไมอะตอม "ไม่กระจัดกระจาย" และแรงเหวี่ยงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนเป็นสาเหตุที่ทำให้อะตอมไม่ตกลงไปในนิวเคลียส
ทุกอย่างดูสมเหตุสมผลในโมเดลนี้ ยกเว้นอันเดียว ความจริงก็คือเมื่อเคลื่อนที่ไปตามวิถีโคจรโค้ง อนุภาคที่มีประจุใด ๆ จะต้องแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ในกรณีของอะตอมที่เสถียรจะไม่สังเกตเห็นผลกระทบนี้ แล้วปรากฎว่าตัวโมเดลเองผิด?
มีการแก้ไขที่จำเป็นแล้วนักฟิสิกส์อีกคนคือ Dane Niels Bohr การแก้ไขเหล่านี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อสมมุติฐานของเขา Bohr แนะนำข้อเสนอสองประการในแบบจำลองของ Rutherford:
- อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงโคจรนิ่งในอะตอม โดยที่ไม่ปล่อยหรือดูดซับโฟตอน
- กระบวนการแผ่รังสี (การดูดกลืน) เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากวงโคจรหนึ่งไปยังอีกวงโคจรหนึ่ง
วงโคจรของโบร์ที่อยู่กับที่คืออะไร เราจะพิจารณาในย่อหน้าถัดไป
การหาปริมาณของระดับพลังงาน
การโคจรของอิเล็กตรอนในอะตอมที่นิ่งอยู่กับที่ซึ่งบอร์พูดเป็นครั้งแรกนั้นเป็นสถานะควอนตัมที่เสถียรของคลื่นอนุภาคนี้ สถานะเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะด้วยพลังงานบางอย่าง หลังหมายความว่าอิเล็กตรอนในอะตอมอยู่ในพลังงาน "ดี" เขาสามารถเข้าไปใน "หลุม" อื่นได้หากได้รับพลังงานเพิ่มเติมจากภายนอกในรูปของโฟตอน
ในสเปกตรัมการดูดกลืนและการปล่อยของไฮโดรเจน ตามสูตรข้างต้น คุณจะเห็นว่าเทอมแรกในวงเล็บคือตัวเลขของรูปแบบ 1/m2โดยที่ m=1, 2, 3.. เป็นจำนวนเต็ม สะท้อนถึงจำนวนโคจรคงที่ที่อิเล็กตรอนส่งผ่านจากระดับพลังงานที่สูงกว่า n.
พวกเขาศึกษาสเปกตรัมในช่วงที่มองเห็นได้อย่างไร
มีการกล่าวไว้ข้างต้นแล้วว่าปริซึมแก้วใช้สำหรับสิ่งนี้ สิ่งนี้เกิดขึ้นครั้งแรกโดยไอแซก นิวตันในปี ค.ศ. 1666 เมื่อเขาสลายแสงที่มองเห็นได้เป็นชุดสีรุ้ง สาเหตุที่ซึ่งสังเกตได้ว่าผลกระทบนี้ขึ้นอยู่กับดัชนีการหักเหของแสงกับความยาวคลื่น ตัวอย่างเช่น แสงสีน้ำเงิน (คลื่นสั้น) หักเหมากกว่าแสงสีแดง (คลื่นยาว)
โปรดทราบว่าในกรณีทั่วไป เมื่อลำแสงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ในตัวกลางของวัสดุใดๆ ส่วนประกอบความถี่สูงของลำแสงนี้จะหักเหและกระจัดกระจายอย่างแรงกว่าส่วนประกอบความถี่ต่ำเสมอ ตัวอย่างที่สำคัญคือสีฟ้าของท้องฟ้า
เลนส์ออปติกและสเปกตรัมที่มองเห็น
เวลาทำงานกับเลนส์มักใช้แสงแดด เนื่องจากเป็นสเปกตรัมต่อเนื่อง เมื่อผ่านเลนส์ ความถี่จึงหักเหต่างกัน เป็นผลให้อุปกรณ์ออปติคัลไม่สามารถรวบรวมแสงทั้งหมดในจุดเดียวและเฉดสีรุ้งปรากฏขึ้น เอฟเฟกต์นี้เรียกว่าความคลาดเคลื่อนสี
ปัญหาที่ระบุของเลนส์ออปติกได้รับการแก้ไขบางส่วนโดยใช้แว่นสายตาร่วมกับอุปกรณ์ที่เหมาะสม (ไมโครสโคป กล้องโทรทรรศน์)
