Процессы испускания и поглощения света объясняет. Конспект урока "Поглощение и испускание света атомами

Спектр - распределение энергии, излучаемой или поглощаемой веществом, по частотам или длинам волн .

Если на пути пучка солнечного света, проникающего через узкую длинную прямоугольную щель, поместить призму, то на экране мы увидим не изображение щели, а растянутую цветную полоску с постепенным переходом цветов от красного к фиолетовому - спектр. Это явление наблюдал еще Ньютон. Это означает, что в состав солнечного света входят электромагнитные волны различных частот. Такой спектр называется сплошным .

Если пропустить через призму свет, который излучается нагретым газом, то спектр будет иметь вид отдельных цветных линий на черном фоне. Такой спектр называется линейчатым спектром испускания . Это означает, что нагретый газ излучает электромагнитные волны с определенным набором частот. При этом каждый химический элемент испускает характерный спектр, отличный от спектров других элементов.

Если свет проходит через газ, то появляются темные линии - линейчатый спектр поглощения.

Спектральный анализ - метод определения качественного и количественного состава вещества, основанный на получении и исследовании его спектров.

Закономерности излучения атомов

Излучение света происходит при переходе электрона в атоме с высшего энергетического уровня E k на один из низших энергетических уровней E n (k > n). Атом в этом случае излучает фотон с энергией

Поглощение света - процесс обратный. Атом поглощает фотон, переходит из низшего состояния k в более высокое n (n > k). Атом в этом случае поглощает фотон с энергией

На вопрос помогите ответь на вопросы по физике. 1)Поглощение и испускание света атомом. 2Сила Ампера, Сила лоренца кратно напешите заданный автором Невролог лучший ответ это 1)
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.
2) Сила Ампера.
На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, равная
F = I·L·B·sina
I - сила тока в проводнике;

L - длина проводника, находящегося в магнитном поле;
a - угол между вектором магнитного поля инаправлением тока в проводнике.
Силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, называют силой Ампера.
Максимальная сила Ампера равна:
F = I·L·B
Ей соответствует a = 900.
Сила Лоренца.

Сила Лоренца определяется соотношением:
Fл = q·V·B·sina
где q - величина движущегося заряда;
V - модуль его скорости;
B - модуль вектора индукции магнитного поля;
a - угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции.

Ответ от Кирилл Старков [новичек]

1. В основу своей теории Бор положил два посту¬лата. Первый постулат: атомная система может на¬ходиться только в особых стационарных или кван¬товых состоя-ниях, каждому из которых соответ¬ствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.
Это означает, что электрон (например, в атоме во-дорода) может находиться на нескольких вполне опреде-ленных орбитах. Каждой орбите электрона со¬ответствует вполне определенная энергия.
Второй постулат: при переходе из одного ста-ционарного состояния в другое испускается или по-глощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях: hv = Еm – Εn; 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 существова¬ние линейчатых спектров.
2. Сила Ампера - это сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током.
Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущиеся в нем заряды, называют силой Лоренца.

Рассматривая поглощение и испускание фотонов, находящихся под непрерывным воздействием излучения, Эйнштейн нашел, что равновесное взаимодействие между веществом и излучением не может состоять только из актов передачи энергии от излучения веществу (поглощения) или обратной передачи от вещества к излучению (спонтанного испускания). Тогда не понятен постулат Планка о равнораспределении энергии в спектре равновесного излучения (инфракрасное излучение, например, Солнца, несет много энергии - потому греет, а более коротковолновое - меньше - от него мы загораем, но не согреваемся). Необходимо ввести еще одно излучение - вынужденное, или индуцированное внешним полем и когерентное с ним. Тогда Эйнштейн и не подозревал, что появится возможность усиления этого введенного им излучения и тем самым произойдет настоящая революция в оптике, связанная с открытием и созданием мазеров и лазеров.

Эйнштейн применил к модели атома Бора методы статистики и вывел формулу Планка для равновесного излучения. Так он стал разрабатывать статистическую квантовую теорию испускания и поглощения света отдельным атомом. Самое важное - введение вероятности для описания микрообъектов. Кроме вероятностей спонтанного и индуцированного излучений, он предположил и случайное направление вылета кванта из молекулы, которое нельзя предсказать.

Вероятность спонтанного испускания впервые ввел Резерфорд для уравнения радиоактивного распада (1900). Эйнштейн считал такой подход связанным с недостаточностью знаний о системе. Этому посвящены его споры с Бором, известные под названием: «Играл ли Бог в кости при сотворении мира?» Научное сообщество не воспринимало вероятностный подход и теорию световых квантов, что, как отметил академик А. Б. Миг-дал, отразилось в формулировке Нобелевского комитета, присудившего Эйнштейну премию по физике (1922): «за вклад в теоретическую физику и особенно за открытие законов фотоэффекта», но об открытии квантов электромагнитного поля, как и о теории относительности, не было ни слова. Восприятие новых идей происходило постепенно.

Используя в своей работе (1926) термин «фотон», Дж.Лыоис рассматривал квант света как неделимый атом. В 1927 г. состоялся

очередной Сольвеевский конгресс, в программе которого уже стояли вопросы об электронах и фотонах. Постепенно фотон был признан элементарной частицей с массой покоя, равной нулю, и со спином, равным единице.

Итак, атом может претерпеть переход с верхнего уровня на нижний благодаря спонтанному испусканию. Вероятность такого перехода в единицу времени не зависит от интенсивности поля излучения, а определяется только параметрами уровней тип, участвующих в переходе, и характеризуется коэффициентом . Вероятность вынужденного процесса в единицу времени пропорциональна плотности энергии поля излучения на резонансной частоте, которая соответствует двум атомным состояниям, участвующим в переходе. Скорость такого вынужденного испускания равна , где индекс, относящийся к плотности излучения, указывает, что здесь рассматривается случай термодинамического равновесия.

Атом в нижнем состоянии может поглощать энергию, переходя на более высокий уровень, и этот процесс аналогичен предыдущему. Скорость поглощения может быть записана в виде . Поскольку равновесие есть стационарное состояние, то между процессами, обусловливающими заселение и опустошение различных энергетических уровней, должно существовать детальное равновесие:

Используя распределение Больцмана для определения отношения заселенности уровней и формулу Планка, можно получить объяснение распределений при тепловом равновесии. Если уровень от выше уровня л, то число атомов на уровне от много меньше, чем на уровне п.

Вынужденное испускание должно иметь место при совпадении частоты падающего излучения с одной из возможных частот атомов данного сорта, - заметил в 1927 г. Дирак. В результате такого взаимодействия возбужденного атома с фотоном получаются два совершенно одинаковых фотона. Особенности вынужденного излучения - монохроматичность и когерентность.

В 1939 г. советский физик В. А. Фабрикант указал, что за счет неравновесных процессов можно сделать отношение числа частиц на возбужденном уровне к числу частиц на невозбужденном больше единицы. Такая среда, называемая инверсно-заселенной, вместо поглощения будет усиливать свет. В 1951 г. он вместе с Ф. А.Бугаевой и М.М.Вудынским получил авторское свидетельство на изобретение принципиально нового способа усиления электромагнитного излучения за счет вынужденного излучения. Система атомов (или молекул) с инверсной заселенностью уровней при наличии в системе обратной связи способна не только усиливать, но и генерировать когерентное излучение. Вскоре этот способ был реализован (сначала в диапазоне СВЧ).

Когерентность сантиметровых волн установил А. М. Прохоров в том же, 1951 г. при разработке молекулярных стандартов частоты и времени. В 1952 г. он вместе с Н. Г. Басовым сообщили на научной конференции о возможности создания усилителя и генератора излучений в СВЧ-ди-

апазоне на пучке молекул аммиака в качестве активной среды. Они назвали его «молекулярным генератором». С аналогичным предложением выступил и американский физик Ч.Таунс.

Первый квантовый генератор на пучке молекул аммиака был создан в 1954 г. Н.Г.Басов, А.М.Прохоров и американский физик Ч. Та-унс в одно время предложили и осуществили обратную связь, поместив активную среду в резонатор с двумя параллельными зеркалами. Он работал на длине волны 1,25 10 - 6 м. Квантовые усилители радиодиапазона стали называть мазерами, оптического - лазерами (англ. Microwave (Light) Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - усиление микроволнового (светового) излучения путем стимулированного или индуцированного излучения (рис. 5.10). Трехуровневый метод создания неравновесных квантовых систем, широко используемый в квантовой электронике, предложил в 1955 г. Н.Г.Басов. Принципы работы лазера разработал Ч.Таунс в 1958 г. вместе с А. Шав-ловым. Они использовали в дальнейшем лазеры для проверки тонких эффектов теории относительности и в приложениях к биологии и медицине. В 1969 г. Таунс открыл космический мазер.

Н. Г. Басову принадлежат перспективные идеи по разработке и созданию полупроводниковых лазеров, лазерного термоядерного синтеза, химических лазеров и т. д.

Первый лазер был создан американским физиком Т. Мейме-ном в 1960 г. на кристалле рубина. В том же году был создан лазер в электрическом разряде на смеси гелия и неона (А.Джован, В.Беннетт, Д. Элриот), который получил наибольшее распространение. В 1966 г. К. Пателр представил СO 2 - лазер с большой выходной мощностью.

В настоящее время лазеры созданы на кристаллах, газах, пучках электронов и жидкостях. Они концентрируют излучение по направлению испускания, энергии, углу расходимости и спектральному интервалу. Фактически под любую задачу можно подобрать источник излучения с нужными свойствами.

В процессе изучения и применения линейчатых спектров возникли различные вопросы. Как, например, объяснить, почему атомы каждого химического элемента имеют свой строго индивидуальный набор спектральных линий? Почему совпадают линии излучения и поглощения в спектре данного элемента? Чем обусловлены различия в спектрах атомов разных элементов?

Нильс Бор (1885-1962)
Датский физик-теоретик, общественный деятель, один из создателей современной физики. Создал теорию водородоподобного атома, основанную на двух постулатах

Ответы на эти и многие другие вопросы удалось найти только в начале XX в. благодаря возникновению новой физической теории - квантовой механики. Одним из основоположников этой теории был датский физик Нильс Бор.

Бор пришёл к заключению, что свет излучается атомами вещества.

В связи с этим в 1913 г. он сформулировал два постулата.

• 1. Атом может находиться только в особых, стационарных состояниях. Каждому состоянию соответствует определённое значение энергии - энергетический уровень. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает и не поглощает

Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Номера стационарных орбит и энергетических уровней (начиная с первого) в общем случае обозначаются латинскими буквами: п, k и т. д. Радиусы орбит, как и энергии стационарных состояний, могут принимать не любые, а определённые дискретные значения. Первая орбита расположена ближе всех к ядру.

• 2. Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Е к в стационарное состояние с меньшей энергией Е n

Согласно закону сохранения энергии, энергия излучённого фотона равна разности энергий стационарных состояний:

hv = E k - E n .

Из этого уравнения следует, что атом может излучать свет только с частотами

Атом может также поглощать фотоны. При поглощении фотона атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.

Состояние атома, в котором все электроны находятся на стационарных орбитах с наименьшей возможной энергией, называется основным. Все другие состояния атома называются возбуждёнными.

У атомов каждого химического элемента имеется свой характерный набор энергетических уровней. Поэтому переходу с более высокого энергетического уровня на более низкий будут соответствовать характерные линии в спектре испускания, отличные от линий в спектре другого элемента.

Совпадение линий излучения и поглощения в спектрах атомов данного химического элемента объясняется тем, что частоты волн, соответствующих этим линиям в спектре, определяются одними и теми же энергетическими уровнями. Поэтому атомы могут поглощать свет только тех частот, которые они способны излучать.

Вопросы

1. Сформулируйте постулаты Бора.
2. Запишите уравнения для определения энергии и частоты излучённого фотона.
3. Какое состояние атома называют основным; возбуждённым?
4. Как объясняется совпадение линий в спектрах испускания и поглощения данного химического элемента?

Задание

В вашем распоряжении имеются две стальные спицы. Придумайте эксперименты, с помощью которых можно было бы определить: а) намагничена ли одна из спиц, и если да, то какая; б) намагничены ли обе спицы.

Примечание: в эксперименте могут быть использованы только указанные предметы.

Итоги главы. Самое главное

Ниже даны физические понятия, явления, правило, закон, постулаты и их определения и формулировки. Последовательность изложения определений не соответствует последовательности понятий.

Перенесите в тетрадь названия понятий и законов и впишите в квадратные скобки порядковый номер определения (формулировки), соответствующего данному понятию, явлению, постулату, правилу, закону.

• Переменный ток ;
• электромагнитная волна ;
• радиосвязь ;
• дисперсия света ;
• явление электромагнитной индукции ;
• правило Ленца ;
• явление самоиндукции ;
• закон преломления света ;
• квантовые постулаты Бора ;
• типы оптических спектров .

Проверь себя

1. В данной системе отсчёта магнитное поле создаётся движущимися в ней
   1. фотонами
   2. электронами
   3. атомами
   4. нейтронами
2. Магнитное поле обнаруживается по его действию на
   1. покоящиеся в нём протоны
   2. покоящиеся в нём нейтроны
   3. покоящиеся в нём ионы
   4. проводник с протекающим по нему электрическим током
3. Магнитное поле характеризуется векторной физической величиной, которая обозначается символом B и называется
   1. магнитной индуктивностью
   2. магнитной индукцией
   3. электромагнитной индукцией
   4. самоиндукцией
4. Закону преломления света соответствует формула

Точно знать химический состав вещества требуется во многих сферах производственной деятельности. От чистоты рабочего материала зависит протекание химических процессов. Однако чистые материалы, лишенные каких-либо примесей, в природе практически не встречаются. Чтобы изучить химический состав рабочей субстанции, исследуются процессы испускания и поглощения света атомами — спектральный анализ.

Этот метод исследования природы вещества был открыт в середине 19 века и произвел сенсацию. С его помощью был сделан ряд важных достижений в области химии и физики, получены новые знания о химических элементах. Анализ является очень чувствительным и позволяет обнаруживать даже микроскопическую примесь инородной субстанции. Однако сфера применения спектрального анализа простирается гораздо дальше изучения состава веществ.

Что такое спектр?

Спектром называют явление, при котором световой луч, проходя через преломляющий объект (например, призму), раскладывается на несколько разноцветных лучей.

Атомы каждого химического элемента имеют свой индивидуальный спектр, отличный от спектров других элементов. Благодаря этой уникальности, можно определить химический состав вещества. Изучение спектров испускания и поглощения света атомами лежит в основе спектрального анализа (спектроскопии).

Излучение атомов вещества осуществляется только в возбужденном состоянии, при воздействии на них каким-либо источником энергии. Получив энергию, вещество отдает ее обратно в виде излучения и возвращается в обычное состояние. Полученные данные об испускании и поглощении атомами света обрабатываются с помощью специальных спектральных аппаратов.

Виды излучения

Оно бывает:

1. Тепловое. При нагревании тела, атомы ускоряют свое движение, что приводит к выделению энергии. При достижении определенной концентрации выработанной энергии, вещество начинает излучать свет.
2. Для испускания и поглощения атомами света может использоваться электрическое поле. В этом случае энергия излучения называется электролюминесценцией.
3. Хемилюминесценция. Это явление происходит при некоторых химических реакциях, когда температура вещества остается обычной, а излучение происходит за счет взаимодействия с другим веществом.
4. Фотолюминесценция. Возникает, когда атомы начинают сами излучать свет под воздействием иного источника излучения.

Виды спектроскопии

Для изучения процессов поглощения и испускания света атомами используются различные методы спектрального анализа:

1. Эмиссионный.
2. Абсорбционный.
3. Люминесцентный.
4. Рентгеновский.
5. Радиоспектроскопический.
6. Спектрофотометрический и др.

Наиболее распространенными способами спектроскопии являются эмиссионный, абсорбционный и люминесцентный.

При эмиссионном методе анализа вещество необходимо перевести в газообразное состояние. Под воздействием высоких температур вещество распадается на атомы. В этом случае характер излучения вещества становится критерием определения химического состава. Изучение процесса проходит с помощью спектральных аппаратов, анализирующих тип волны.

Абсорбционный метод применяют для исследования не испускания, а поглощения света атомами. В зависимости от природы элемента, характер поглощения энергии веществом будет индивидуальным в каждом случае.

При люминесцентном методе возбуждение вещества происходит при помощи инфракрасных или ультрафиолетовых лучей.

Применение спектрального анализа

Спектроскопия принесла миру немало ценных открытий в разных областях знаний.

Множество химических элементов было обнаружено благодаря спектральному анализу: цезий, гелий, рубидий и другие. Основной цвет их спектров часто служит причиной названия (например, "рубидий" — "темно-красный").

Широко применяется спектроскопия в области промышленности, в частности, в машиностроительной сфере, металлургии. Спектральный анализ помогает наиболее точно определить состав минерала, что позволяет получить максимально чистое вещество для производства.

Необычное применение анализу нашлось в области криминалистики, в частности, для установления подлинности или поддельности документа.

Значение спектрального анализа для астрофизики

Самые ценные сведения процессы испускания и поглощения света атомами дают в области астрофизики и исследований космоса.

Только благодаря спектральному анализу удалось установить химический состав небесных объектов, например, Солнца и звезд. Спектроскопия показала, что в составе звезд находятся те же элементы, что на Земле. Фотосферы небесных тел — не что иное, как непрерывный спектр.

Не только химический состав звезд открылся благодаря спектральному анализу. Этот метод позволил изучить жизненный цикл звезды. Каждая из них получила свое место в спектральном классе, исходя из ее размера и температуры излучения.

Спектральный анализ позволил получить представление о космических размерах и расстояниях, о скорости движущихся космических объектов, их вращении. Эффект Доплера дополняет и раскрывает суть исследований, проведенных с помощью спектроскопии.

Таким образом, большинство современных астрономических исследований базируется на данных спектрального анализа.

Лазеры, испускание и поглощение света атомами в спектрах

Лазер (квантовый генератор) является источником излучения. В нем излучение энергии возбужденными атомами осуществляется под влиянием внешнего стимула. Спектры лазера формируются испусканием света атомами, а не его поглощением. Пучок лазера является когерентным: лучи идут параллельно и практически не расходятся, независимо от расстояния до источника излучения. Лазеры широко применяются в различных отраслях знаний, в частности, в медицине, оптической физике, фотографии, металлургии и т. д.

Рассмотрев процессы испускания и поглощения света атомами кратко и познакомившись с главным методом исследований — спектральным анализом, можно сделать вывод о его неоспоримой значимости в современном мире. Множество сфер науки, производства и технологий применяют этот метод и его результаты в своей работе.