Поглощение и испускание света. Конспект урока "Поглощение и испускание света атомами

Рассмотрим атом водорода.

Согласно теории Бора, при движении электрона по ближайшей к ядру стационарной орбите атом находится в основном состоянии, являющемся наиболее устойчивым. В основном состоянии атом может находиться неограниченно долгое время, поскольку это состояние соответствует наименьшему возможному значению энергии атома.

Когда электрон движется по какой-либо другой из разрешенных орбит, состояние атома называется возбужденным и является менее устойчивым, чем основное состояние. Через небольшой промежуток времени (порядка 10 -8 с) атом самопроизвольно переходит из возбужденного состояния в основное, излучая при этом квант энергии (рис. 20.4):

\(h\nu_{kn} = W_k - W_n.\)

Так как в возбужденном состоянии энергия атома больше, чем в основном, то произвольно атом в возбужденное состояние перейти не может. Способы возбуждения атомов вещества могут быть самыми различными: удар об атом какой-то частицы, химические реакции, воздействие света и т.д. Но они оказываются эффективными для возбуждения только тогда, когда поставляют энергию квантами, которые в состоянии возбудить данные атомы. Если эта энергия недостаточна для переброски атома с низшего энергетического уровня на более высокий, то атом такую энергию примет и при этом возрастет, например, энергия его теплового хаотического движения, но в возбужденное состояние атом не перейдет.

Энергия фотона, поглощаемого атомом при переходе из одного состояния в другое, в точности равна разности энергий атома в этих двух состояниях (рис. 20.7):

\(h\nu_{21} = W_2 - W_1, h\nu_{31} = W_3 - W_1, \ldots\)

Иными словами, он поглощает свет только такой частоты, которую сам может испускать (закон поглощения и испускания света, полученный экспериментально Г. Кирхгофом). Исключение составляет случай, когда внешнее воздействие может сообщать атому энергию больше той, которая необходима для его ионизации. При этом часть энергии внешнего воздействия тратится на ионизацию атома, а избыток энергии передается вырванному электрону в виде его кинетической энергии. Последняя может иметь произвольную величину.

Итак, можно сделать следующие выводы.

1. Свободный атом поглощает и излучает энергию только целыми квантами.

2. При переходе в возбужденное состояние атом поглощает только такие кванты, которые может сам испускать.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - С. 580-581.

Типы оптических спектров.
Поглощение и испускание света
атомами. Происхождение линейчатых
спектров
Мирозданье постигая, все познай, не
отбирая:
Что - внутри, во внешнем сыщешь.
Так примите ж без оглядки
Мира внятные загадки.
Гете

Дисперсия света - это
зависимости показателя
преломления вещества и
скорости света в нем от
частоты световой волны.
Белый свет - это сложный свет, он состоит из
простых лучей, которые при прохождении через
призму отклоняются, но не разлагаются, и только
в совокупности монохроматические лучи дают
ощущение белого света.

линза
щель
Спектральные приборы - приборы,
хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра.
призма

Сплошной спектр
Раскаленные
твердые тела
Раскаленные
жидкости
Газы под высоким
давлением
Основную роль в излучении играет
возбужде-ние атомов и молекул при
хаотическом
дви-жении
этих
частиц,
обусловленное высокой температурой.

Линейчатый спектр
спектр, состоящий из отдельных резко очерченных цветных линий,
отделенных друг от друга широкими темными промежутками.
Вещество излучает свет только вполне
определенных длин волн. Каждая из
линий имеет конечную ширину.
Спектры получаются от светящихся атомарных газов или паров.
натрий
Линейчатые спектры различных химических элементов отличаются цветом,
положением и числом отдельных светящихся линий.

Полосатый спектр
состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками.
Каждая полоса представляет собой
совокупность большого числа очень
тесно расположенных линий.
Излучаются отдельными возбужденными молекулами (молекулярный газ).
Излучение вызвано как электронными
переходами в атомах, так и колебательными движениями самих атомов в
молекуле.

Полосатый спектр
Сплошной спектр
Линейчатый спектр
Спектр испускания
получают при разложении света, излученного
самосветящимися телами.

Спектр поглощения
получают, пропуская свет от источника, дающего сплошной спектр, через вещество,
атомы и молекулы которого находятся в невозбужденном состоянии.
поглощения
Na
испускания
Na
H
H

Закон обратимости спектральных
линий:
линии поглощения соответствуют
линиям испускания, т.е. атомы
менее нагретого вещества
поглощают из сплошного спектра
как раз те частоты, которые они в
других условиях испускают.
Густав Роберт Кирхгоф
12. 03. 1824 - 17. 10. 1887

Спектр атомов каждого химического элемента уникален.

Спектральный анализ - это метод исследования химического
состава различных веществ по их
спектрам.
Анализ, проводимый по спектрам
испускания, называют эмиссионным.
Г. Кирхгоф
Анализ проводимый по спектрам
поглощения называют абсорбционным спектральным анализом.
В. Бунзен

Эмиссионный анализ:
1. Каждый элемент имеет свой спектр,
который не зависит от способов возбуждения.
2. Интенсивность спектральных линий зависит от концентрации элемента в данном веществе.
Выполнение анализа:
1. Заставить атомы этого вещества излучать свет с линейчатым спектром.
2. Разложить этот свет в спектр и определить длины волн наблюдаемых
в нем линий.

Применение спектрального анализа
металлургия
машиностроение
Атомная промышленность
геология
археология
криминалистика

Как объяснить, почему
атомы каждого химического элемента имеют
свой строго индивидуальный набор спектральных
линий?
Почему совпадают
линии излучения и
поглощения в спектре
данного элементы?
Чем обусловлены
различия в спектрах
атомов разных
элементов?

Постулат стационарных состояний:
атомная система может находиться
только в особых стационарных
(квантовых) состояниях, каждому из
которых соответствует определенная
энергия, находясь на которых атом
не излучает и не поглощает энергии.
Правило частот: при переходе атома
из одного стационарного состояния в
другое излучается или поглощается
квант энергии.

Для объяснения устойчивости атомов датский физик Нильс Бор предложил отказаться от привычных классических представлений и законов. Свойства атомов получают объяснение на основе квантовых постулатов Бора :

Атом может находиться лишь в определенных стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E . Говорят, что энергия атома квантуется . В стационарных состояниях атом не излучает энергию.

Излучение или поглощение энергии происходит только при переходе атома из одного стационарного состояния в другое. Энергия излученного или поглощенного кванта электромагнитного излучения при переходе атома из стационарного состояния с энергией E m в состояние с энергией E n равна модулю разности энергий атома в этих состояниях:

hv mn = |E m – E n |,

где m иn – номера стационарных состояний.

Стационарное состояние атома с минимальным запасом энергии называется основным состоянием , все остальные стационарные состояния называютсявозбужденными состояниями . В основном состоянии атом может находиться бесконечно долго, в возбужденном состоянии он находится 10 –7 10 –9 с.

Стационарные состояния наглядно представляются энергетической диаграммой атома (рис. 5), на которой они обозначаются горизонтальными линиями – энергетическими уровнями . Расстояния между линиями диаграммы пропорциональны разностям энергий стационарных состояний. Переход атома из стационарного состояния с меньшим запасом энергии в состояние с большим запасом энергии сопровождается поглощением энергии и обозначается стрелкой, направленной вверх; переход атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией сопровождается выделением энергии и обозначается стрелкой, направленной вниз (см. рис. 5).

50. Естественная радиоактивность и ее виды. Радиоактивные излучения и их

воздействие на живые организмы

1. Радиоактивность. Свойства альфа-, бета-, гамма-излучений

Радиоактивностью называется явление самопроизвольного превращения ядер одного химического элемента в ядра другого химического элемента. Радиоактивные превращения ядер обязательно сопровождаются испусканием радиоактивных излучений. Это явление было открыто А. Беккерелем в 1896 г. и привело к установлению факта, что атомы не только обладают сложной внутренней структурой, но и способны к самопроизвольным превращениям.

При альфа-распаде из радиоактивного ядра выбрасывается альфа-частица – ядро атома изотопа гелия . Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, ее заряд равен двум элементарным зарядам. При вылете из ядра альфа-частицы порядковый номер ядра-продуктаZ меньше исходного на две единицы, массовое числоA меньше исходного на четыре единицы. Например, при альфа-распаде ядра изотопа урана получается ядро изотопа тория (рис. 5).

При бета-распаде из атомного ядра вылетают электрон (или его античастица позитрон – элементарная частица с массой, равной массе электрона, и положительным элементарным зарядом) и электронное антинейтрино (или нейтрино). Бета-распад с испусканием электрона называетсяэлектронным бета-распадом :

При электронном бета-распаде в атомном ядре происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и незаряженной элементарной частицы – электронного антинейтрино:

В результате электронного бета-распада число протонов в ядре увеличивается на единицу, число нейтронов уменьшается на единицу, а массовое число остается неизменным. В результатепозитронного бета-распада число протонов в ядре уменьшается на единицу, число нейтронов увеличивается на единицу, а массовое число остается неизменным (рис. 7).

Атомные ядра, возникающие в результате альфа- и бета-распада, могут находиться в возбужденных состояниях. Переходы атомных ядер из возбужденных состояний в основное состояние сопровождаются испусканием гамма-квантов.

Все частицы, испускаемые при радиоактивных превращениях атомных ядер и в процессе осуществления ядерных реакций, обладают большими значениями энергии (~10 6 эВ, 1эВ = 1,6·10 –19 Дж). При таких энергиях заряженные частицы и кванты электромагнитного излучения обладают способностью ионизовать и возбуждать атомы вещества, встречающиеся на их пути. Поэтому все виды радиоактивных излучений и излучений, сопровождающих ядерные реакции, называютионизирующими излучениями . При одинаковой энергии разные виды ионизирующих излучений неодинаково взаимодействуют с веществом.

Альфа-частицы и другие атомные ядра при движении в веществе ионизуют или возбуждают почти каждый атом на своем пути. Поэтому они растрачивают всю энергию на коротком пути. Длина пробега альфа-частиц в воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет несколько сантиметров, в жидкостях или твердых телах – сотые доли миллиметра.

Бета-частицы менее эффективно взаимодействуют с атомами вещества. Поэтому их пробег в воздухе может достигать нескольких метров, а в жидкостях и твердых телах – нескольких миллиметров.

Гамма-кванты взаимодействуют с электронными оболочками атомов тремя различными способами. Эти способы – фотоэлектрический эффект (выбивание электрона), рассеяние при взаимодействии с электроном и рождение пар электрон–позитрон. Последний способ возможен только в том случае, если энергия гамма-кванта больше удвоенной энергии покоя электрона. Гамма-кванты имеют самую большую проникающую способность. Для защиты от гамма-излучения необходимы защитные стены или оболочки толщиной несколько десятков сантиметров или даже несколько метров.

План ответа

1. Первый постулат. 2. Второй постулат. 3. Ви­ды спектров.

В основу своей теории Бор положил два посту­лата. Первый постулат: атомная система может на­ходиться только в особых стационарных или кван­товых состояниях, каждому из которых соответ­ствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.

Это означает, что электрон (например, в атоме водорода) может находиться на нескольких вполне определенных орбитах. Каждой орбите электрона со­ответствует вполне определенная энергия.

Второй постулат: при переходе из одного ста­ционарного состояния в другое испускается или по­глощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях: hv = Е m – Ε n ; h = 6,62 10 -34 Дж с, где h - постоянная Планка.

При переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную, атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру атомная система излучает квант энергии.

Теория Бора позволила объяснить существова­ние линейчатых спектров.

Спектр излучения (или поглощения) - это набор волн определенных частот, которые излучает (или поглощает) атом данного вещества.

Спектры бывают сплошные, линейчатые и по­лосатые.

Сплошные спектры излучают все вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Сплошной спектр содержит волны всех частот види­мого света и поэтому выглядит как цветная полоса с плавным переходом от одного цвета к другому в та­ком порядке: Красный, Оранжевый, Желтый, Зеле­ный, Синий и Фиолетовый (Каждый Охотник Желает Знать, где Сидит Фазан).

Линейчатые спектры излучают все вещества в атомарном состоянии. Атомы всех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определенных частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так и у атома данного вещества свой, характерный только ему спектр. Линейчатые спектры излучения выглядят как цветные линии, разделенные промежутками. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные ста­ционарные состояния со своей характерной энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т. е. электрон в атоме может переходить только с одних определен­ных орбит на другие, вполне определенные орбиты для данного химического вещества.

Полосатые спектры излучаются молекулами. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются от­дельные серии линий, воспринимаемые как отдель­ные полосы.

Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и погло­щается, т. е. спектры излучения по набору излу­чаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные только им спектры, то существует спо­соб определения химического состава вещества мето­дом изучения его спектров. Этот способ называется спектральным анализом. Спектральный анализ применяется для определения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определения химического состава звезд, атмо­сфер, планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.

Теория Бора позволила объяснить существование линœейчатых спектров. Спектр излучения (или поглощения) - это набор волн определœенных частот, которые излучает (или поглощает) атом данного вещества. Спектры бывают сплошные, линœейчатые и полосатые. Сплошные спектры излучают всœе вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Сплошной спектр содержит волны всœех частот видимого света и в связи с этим выглядит как цветная полоса с плавным переходом от одного цвета к другому в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зелœеный, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать, где сидит фазан). Линœейчатые спектры излучают всœе вещества в атомарном состоянии. Атомы всœех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определœенных частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так и у атома данного вещества свой, характерный только ему спектр.
Размещено на реф.рф
Линœейчатые спектры излучения выглядят как цветные линии, разделœенные промежутками. Природа линœейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со своей характерной энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т. е. электрон в атоме может переходить только с одних определœенных орбит на другие, вполне определœенные орбиты для данного химического вещества. Полосатые спектры излучаются молекулами. Выглядят полосатые спектры подобно линœейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются отдельные серии линий, воспринимаемые как отдельные полосы. Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и поглощается, т. е. спектры излучения по набору излучаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные только им спектры, то существует способ определœения химического состава вещества методом изучения его спектров. Этот способ принято называть спектральным анализом. Спектральный анализ применяется для определœения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определœения химического состава звезд, атмосфер, планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.

Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и постоянная Планка. Применение фотоэффекта в технике.

В 1900 ᴦ. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями - квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h - постоянная Планка, равная , v - частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта͵ открытого в 1887 ᴦ. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым А. Г. Столетовым. Фотоэффект - это явление испускания электронов веществом под действием света. В результате исследований были установлены три закона фотоэффекта. 1. Сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела. 2. Максимальная кинœетическая энергия фотоэлектронов линœейно возрастает с частотой света и зависит от его интенсивности. 3. В случае если частота света меньше некоторой определœенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффекта не происходит. Зависимость фототока от напряжения показана на рисунке 51. Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 ᴦ. В корне теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света͵ электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определœенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода - это работа͵ которую крайне важно затратить, чтобы удалить электрон из металла. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид: . Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна. Приборы, в базе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта͵ называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света͵ яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелœеграфах и фототелœефонах, в управлении производственными процессами. Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителœей тока. Οʜᴎ используются при автоматическом управлении электрическими цепями (к примеру, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях. С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

Испускание и поглощение света атомами. Спектральный анализ. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Испускание и поглощение света атомами. Спектральный анализ." 2017, 2018.