Испускание и поглощение света атомами. Спектральный анализ. VI. Квантовая физика Поглощение и испускание света атомами

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.

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

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.

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

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

10.

Спектр атомов каждого химического элемента уникален.

11.

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

12.

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.

13.

Применение спектрального анализа
металлургия
машиностроение
Атомная промышленность
геология
археология
криминалистика

14.

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?

15.

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.