Конспект занятия по физике «Типы оптических спектров. Поглощение и испускание спектров атомами»

Типы оптических спектров. Поглощение и испускание света атомами.

Цель урока: сформировать понятия о видах спектров, спектральном анализе и его применении. Познакомить с постулатами Бора.

Раньше всех спектров было начато исследование оптических спектров. Первым изучением спектров начал заниматься Исаак Ньютон.

Следующий этап исследования наступил через 100 лет, когда Уильям Волластон в 1802г. наблюдал темные линии в Солнечном спектре, но не придал своим наблюдениям значения. В 1814г. эти линии независимо обнаружил и подробно описал Фраунгофер (сейчас линии поглощения в солнечном спектре называются линиями Фраунгофера), но не смог объяснить их природу. Фраунгофер описал свыше 500 линий в солнечном спектре.

В 1954 г. Кирхгоф и Бунзен начали изучать спектры пламени, окрашенного парами металлических солей, и в результате ими были заложены основы спектрального анализа.

Работа Кирхгофа позволила объяснить природу фраунгоферовых линий в спектре Солнца и определить химический состав его атмосферы.

Фактически, спектральный анализ открыл новую эпоху в развитии науки.

Типы спектров:

Спектры излучения:

- непрерывный или сплошной (представлены все цвета, плавно переходящие один в другой).

Пример: свет излучаемый Солнцем, свет от лампы, твердые и жидкие тела, плотные газы нагретые до высокой температуры (выше 2000оС).

- линейчатый (обозначает наличие в спектре визуального изображения света с конкретной длиной волны).

Пример: Газ состоит из атомов некоторого химического элемента и разрежен на столько, что атомы почти не взаимодействуют друг с другом. В спектре излучения такого газа сможем наблюдать линейчатый спектр.

- полосатый (обозначает наличие на визуальной картине спектра совокупности большого числа близко расположенных полос).

Пример: Примером такого спектра является свечение газов, нагретых до высокой температуры. Полосатый спектр визуально представляет собой отдельные полосы, четко разграниченные достаточно темными промежутками. При этом каждая из этих полос не является излучением строго определенной частоты, а состоит из большого количества близко расположенных друг к другу световых линий.

2. Спектры поглощения

- линейчатый.

Для любого химического элемента спектр испускания является уникальным. Поэтому мы можем установить какой химический элемент находится перед нами.

Спектр испускания – линейчатый спектр, который состоит из тонких изолированных разноцветных линий, соответствующих тем длинам волн света, который излучается атомами.

Атомы излучают свет в процессе перехода из возбужденного состояния в основное. Но вещество может не только излучать, но и поглощать. При поглощении атом совершает обратный процесс – он переходит из основного состояния в возбужденное.

Общий для всех химических элементов закон, согласно которому атомы данного элемента поглощают световые волны тех же самых частот, на которых они излучают, был открыт Кирхгофом в середине 19 века.

Спектр поглощения – темные линии на фоне непрерывного спектра, соответствующие тем длинам волн света, которые поглощаются атомами и излучаются впоследствии при сильном нагревании.

Использование линейчатых спектров в качестве идентификаторов химических элементов лежит в основе спектрального анализа.

Спектральный анализ – метод исследования химического состава вещества по его спектру.

В результате наблюдения различных спектров, были открыты новые химические элементы. Первыми из таких элементов были цезий и рубидий.

Почему атомы каждого химического элемента имеют свой строго индивидуальный набор спектральных линий? Почему совпадают линии излучения и поглощения в спектре данного элемента?

В 1913г. идея Планка о квантах была применена датским физиком Нильсом Бором, сделавшим важный шаг в развитии представлений о строении атома. Бор сформулировал два постулата:

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

Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Еk в стационарное состояние с меньшей энергией Еn.

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

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

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 изучать.