Spektrum garis - ini mungkin salah satu topik penting yang dibahas dalam kursus fisika kelas 8 di bagian optik. Ini penting karena memungkinkan kita untuk memahami struktur atom, serta menggunakan pengetahuan ini untuk mempelajari Alam Semesta kita. Mari kita pertimbangkan masalah ini dalam artikel.
Konsep spektrum elektromagnetik
Pertama-tama, mari kita jelaskan tentang apa artikel itu. Semua orang tahu bahwa sinar matahari yang kita lihat adalah gelombang elektromagnetik. Setiap gelombang dicirikan oleh dua parameter penting - panjang dan frekuensinya (sifat ketiga yang tidak kalah pentingnya adalah amplitudo, yang mencerminkan intensitas radiasi).
Dalam kasus radiasi elektromagnetik, kedua parameter terkait dalam persamaan berikut: ν=c, di mana huruf Yunani (lambda) dan (nu) biasanya masing-masing menunjukkan panjang gelombang dan frekuensinya, dan c adalah kecepatan cahaya. Karena yang terakhir adalah nilai konstan untuk vakum, panjang dan frekuensi gelombang elektromagnetik berbanding terbalik satu sama lain.
Spektrum elektromagnetik dalam fisika diterimasebutkan himpunan panjang gelombang (frekuensi) yang berbeda yang dipancarkan oleh sumber radiasi yang sesuai. Jika zat menyerap, tetapi tidak memancarkan gelombang, maka dikatakan spektrum adsorpsi atau penyerapan.
Apa itu spektrum elektromagnetik?
Secara umum, ada dua kriteria untuk klasifikasi mereka:
- Berdasarkan frekuensi radiasi.
- Menurut metode distribusi frekuensi.
Kami tidak akan membahas pertimbangan jenis klasifikasi pertama dalam artikel ini. Di sini kita hanya akan mengatakan secara singkat bahwa ada gelombang elektromagnetik frekuensi tinggi, yang disebut radiasi gamma (>1020 Hz) dan sinar-X (1018 -10 19 Hz). Spektrum ultraviolet frekuensinya sudah lebih rendah (1015-1017 Hz). Spektrum yang terlihat atau optik terletak pada rentang frekuensi 1014 Hz, yang sesuai dengan serangkaian panjang dari 400 m hingga 700 m (beberapa orang dapat melihat sedikit "lebih lebar": dari 380 m hingga 780 m). Frekuensi yang lebih rendah sesuai dengan spektrum inframerah atau termal, serta gelombang radio, yang panjangnya bisa beberapa kilometer.
Selanjutnya dalam artikel ini, kita akan melihat lebih dekat pada jenis klasifikasi ke-2, yang tercantum dalam daftar di atas.
Spektrum emisi garis dan kontinu
Benar-benar zat apa pun, jika dipanaskan, akan memancarkan gelombang elektromagnetik. Berapa frekuensi dan panjang gelombangnya? Jawaban atas pertanyaan ini tergantung pada keadaan agregasi zat yang diteliti.
Cairan dan padatan memancarkan, sebagai aturan, serangkaian frekuensi kontinu, yaitu, perbedaan di antara mereka sangat kecil sehingga kita dapat berbicara tentang spektrum radiasi kontinu. Pada gilirannya, jika gas atom yang memiliki tekanan rendah dipanaskan, ia akan mulai "bersinar", memancarkan panjang gelombang yang ditentukan secara ketat. Jika yang terakhir dikembangkan pada film fotografi, maka itu akan menjadi garis-garis sempit, yang masing-masing bertanggung jawab atas frekuensi tertentu (panjang gelombang). Oleh karena itu, jenis radiasi ini disebut spektrum emisi garis.
Antara garis dan kontinu ada jenis spektrum menengah, yang biasanya memancarkan molekul daripada gas atom. Jenis ini adalah pita-pita yang terisolasi, yang masing-masing jika diperiksa secara rinci, terdiri dari garis-garis sempit yang terpisah.
Spektrum serapan garis
Semua yang dikatakan di paragraf sebelumnya mengacu pada radiasi gelombang oleh materi. Tetapi juga memiliki daya serap. Mari kita lakukan percobaan yang biasa: mari kita ambil gas atom dingin yang dibuang (misalnya, argon atau neon) dan biarkan cahaya putih dari lampu pijar melewatinya. Setelah itu, kami menganalisis fluks cahaya yang melewati gas. Ternyata jika fluks ini didekomposisi menjadi frekuensi individu (ini dapat dilakukan dengan menggunakan prisma), maka pita hitam muncul dalam spektrum kontinu yang diamati, yang menunjukkan bahwa frekuensi ini diserap oleh gas. Dalam hal ini, seseorang berbicara tentang spektrum serapan garis.
Di pertengahan abad XIX. Ilmuwan Jerman bernama GustavKirchhoff menemukan properti yang sangat menarik: dia memperhatikan bahwa tempat-tempat di mana garis-garis hitam muncul pada spektrum kontinu sesuai persis dengan frekuensi radiasi zat tertentu. Saat ini, fitur ini disebut hukum Kirchhoff.
seri Balmer, Liman dan Pashen
Sejak akhir abad ke-19, fisikawan di seluruh dunia telah berusaha memahami apa itu spektrum garis radiasi. Ditemukan bahwa setiap atom dari unsur kimia tertentu dalam kondisi apa pun menunjukkan emisivitas yang sama, yaitu memancarkan gelombang elektromagnetik hanya dengan frekuensi tertentu.
Studi terperinci pertama tentang masalah ini dilakukan oleh fisikawan Swiss Balmer. Dalam eksperimennya, ia menggunakan gas hidrogen yang dipanaskan hingga suhu tinggi. Karena atom hidrogen adalah yang paling sederhana di antara semua unsur kimia yang diketahui, maka paling mudah untuk mempelajari ciri-ciri spektrum radiasi di atasnya. Balmer mendapatkan hasil yang luar biasa, yang ia tuliskan sebagai formula berikut:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Di sini adalah panjang gelombang yang dipancarkan, RH - beberapa nilai konstan, yang untuk hidrogen sama dengan 1, 097107 m -1, n adalah bilangan bulat mulai dari 3, yaitu 3, 4, 5 dst.
Semua panjang, yang diperoleh dari rumus ini, terletak dalam spektrum optik yang terlihat oleh manusia. Rangkaian nilai untuk hidrogen ini disebut spektrumBalmer.
Selanjutnya, dengan menggunakan peralatan yang sesuai, ilmuwan Amerika Theodore Liman menemukan spektrum hidrogen ultraviolet, yang ia gambarkan dengan rumus yang mirip dengan Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Akhirnya, fisikawan Jerman lainnya, Friedrich Paschen, memperoleh rumus emisi hidrogen di daerah inframerah:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
Namun demikian, hanya perkembangan mekanika kuantum pada tahun 1920-an yang dapat menjelaskan rumus-rumus ini.
Rutherford, Bohr dan model atom
Pada dekade pertama abad ke-20, Ernest Rutherford (fisikawan Inggris asal Selandia Baru) melakukan banyak eksperimen untuk mempelajari radioaktivitas berbagai unsur kimia. Berkat studi ini, model atom pertama lahir. Rutherford percaya bahwa "butir" materi ini terdiri dari inti listrik positif dan elektron negatif yang berputar pada orbitnya. Gaya Coulomb menjelaskan mengapa atom "tidak hancur", dan gaya sentrifugal yang bekerja pada elektron adalah alasan mengapa elektron tidak jatuh ke dalam inti.
Semuanya tampak logis dalam model ini, kecuali satu tapi. Faktanya adalah bahwa ketika bergerak sepanjang lintasan lengkung, setiap partikel bermuatan harus memancarkan gelombang elektromagnetik. Tetapi dalam kasus atom yang stabil, efek ini tidak diamati. Lalu ternyata modelnya sendiri yang salah?
Amandemen yang diperlukan telah dibuat untuk itufisikawan lain adalah Dane Niels Bohr. Amandemen ini sekarang dikenal sebagai postulatnya. Bohr memperkenalkan dua proposisi ke dalam model Rutherford:
- elektron bergerak pada orbit stasioner dalam atom, sedangkan elektron tidak memancarkan atau menyerap foton;
- proses radiasi (penyerapan) hanya terjadi ketika elektron berpindah dari satu orbit ke orbit lainnya.
Apa yang dimaksud dengan orbit Bohr stasioner, kita akan membahasnya di paragraf berikutnya.
Kuantisasi tingkat energi
Orbit stasioner elektron dalam atom, yang pertama kali dibicarakan oleh Bohr, adalah keadaan kuantum yang stabil dari gelombang partikel ini. Keadaan ini dicirikan oleh energi tertentu. Yang terakhir berarti bahwa elektron dalam atom dalam beberapa energi "baik". Dia bisa masuk ke "lubang" lain jika dia menerima energi tambahan dari luar dalam bentuk foton.
Pada garis spektrum serapan dan emisi hidrogen, rumus yang diberikan di atas, Anda dapat melihat bahwa suku pertama dalam kurung adalah bilangan dengan bentuk 1/m2, di mana m=1, 2, 3.. adalah bilangan bulat. Ini mencerminkan jumlah orbit stasioner yang dilalui elektron dari tingkat energi yang lebih tinggi n.
Bagaimana mereka mempelajari spektrum dalam rentang yang terlihat?
Telah disebutkan di atas bahwa prisma kaca digunakan untuk ini. Ini pertama kali dilakukan oleh Isaac Newton pada tahun 1666, ketika ia menguraikan cahaya tampak menjadi sekumpulan warna pelangi. Alasan untukyang efek ini diamati terletak pada ketergantungan indeks bias pada panjang gelombang. Misalnya, cahaya biru (gelombang pendek) dibiaskan lebih kuat daripada cahaya merah (gelombang panjang).
Perhatikan bahwa dalam kasus umum, ketika seberkas gelombang elektromagnetik bergerak dalam media material apa pun, komponen frekuensi tinggi dari berkas ini selalu dibiaskan dan dihamburkan lebih kuat daripada komponen frekuensi rendah. Contoh utama adalah warna biru langit.
Optik lensa dan spektrum tampak
Saat bekerja dengan lensa, sinar matahari sering digunakan. Karena merupakan spektrum kontinu, ketika melewati lensa, frekuensinya dibiaskan secara berbeda. Akibatnya, perangkat optik tidak dapat mengumpulkan semua cahaya pada satu titik, dan bayangan warna-warni muncul. Efek ini dikenal sebagai chromatic aberration.
Masalah optik lensa yang ditunjukkan sebagian diselesaikan dengan menggunakan kombinasi kacamata optik pada instrumen yang sesuai (mikroskop, teleskop).
