Zjawisko emisji i absorpcji energii przez atomy gazu
Dużym postępem w zrozumieniu budowy atomu było odkrycie liniowego widma promieniowania gazów. Okazało się, że świecące gazy emitują tylko niektóre długości fali promieniowania. Jeżeli światło wysyłane przez gaz skierujemy na szczelinę spektroskopu, to powstający obraz nie będzie widmem ciągłym, lecz liniami o różnych barwach (prawie monochromatycznych). Linie te oznaczają, że świecące gazy wysyłają promieniowanie nieciągłe, w przeciwieństwie do ciał stałych, które po rozgrzaniu emitują widmo złożone z pełnego zakresu długości fal. A jak wygląda widmo nieciągłe i jaki ma ono związek ze zjawiskami emisji i absorpcji? Dowiesz się tego z dzisiejszej lekcji.
RgB60kdHYmwDD
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia
zakres długości fal charakterystycznych dla światła widzialnego;
definicję promieniowania termicznego (cieplnego);
definicję ciała doskonale czarnego;
jaki charakter ma widmo promieniowania ciała doskonale czarnego;
czy i dlaczego barwa świecącego ciała zależy od jego temperatury.
Nauczysz się
odróżniać widma emisyjne ciągłe i liniowe;
co jest źródłem widma liniowego;
że widmo emisyjne emitowane jest przez gorący gaz, a widmo absorpcyjne – przez chłodny gaz pochłaniający promieniowanie elektromagnetyczne (np. światło) o widmie ciągłym, które to promieniowanie przechodzi przez ten gaz.
Emisja energii
Za pomocą spektroskopuspektroskopspektroskopu bada się promieniowanie wysyłane przez sód i rtęć w stanie gazowym oraz przez inne gazy, takie jak wodór czy neon. Na podstawie wyników badań stwierdzono, że widmo tego promieniowania nie jest ciągłe, tzn. występują w nim tylko niektóre długości fali. Takie widmo nazywamy widmem liniowym (dyskretnym lub nieciągłym). Warto wspomnieć, że istotną rolę w badaniach nad tym zjawiskiem odegrali fizycy Gustav KirchhoffGustaw Robert KirchhoffGustav Kirchhoff i Robert BunsenRobert Wilhelm BunsenRobert Bunsen.
Rpz1DqQ4squar
Badania wykazują, że każdy pierwiastek ma inne widmo liniowe, które pozwala na jednoznaczną identyfikację danego pierwiastka. Badanie widma Słońca pokazało, że występują w nim linie pierwiastka nieznanego na Ziemi. Nazwano go helium, czyli „słoneczny”. Późniejsze badania różnych gazów wykazały, że jest to gaz występujący również na Ziemi.
W połowie wieku kłopoty sprawiało wyjaśnienie zarówno rozkładu energii w widmie ciała stałego, jak i powstawania liniowego widma pierwiastków w stanie gazowym. Wyniki eksperymentalne były nie do pogodzenia z ówczesnym stanem wiedzy. Poprawna interpretacja wymaga wprowadzenia opisu kwantowego, który wtedy jeszcze nie był znany.
Widma atomowe bada się przy użyciu prostych układów pomiarowych. Typowy układ do pomiaru widmaanaliza widmowawidma posiada:
źródło światła w postaci jednoatomowego gazu, który emituje światło kiedy przepuszczony jest przez niego prąd elektryczny,
szczelinę kolimującą, która służy do zwężenia światła w wiązkę,
pryzmat lub siatkę dyfrakcyjną, które rozszczepiają i załamują światło o różnych długościach fali,
ekran, na którym wyświetlane są rozdzielone kolorowe wiązki światła, z którego możemy odczytać ich długości.
Taki przykładowy układ możemy zobaczyć na filmie:
R8EHovaEVYdTl
Poniżej znajduje się tabela przedstawiająca długości fali i barwy widma liniowego wodoru.
Widmo atomu wodoru
Lp.
Długość fali
Barwa
fioletowa
fioletowa
niebieska
czerwona
Fizycy często poszukują zależności matematycznych pomiędzy wielkościami wyznaczonymi doświadczalnie. Jedną z nich w roku wykrył matematyk Johann Jakob BalmerJohann Jakob BalmerJohann Jakob Balmer ze Szwajcarii – udało mu się to zrobić na podstawie analizy wyników uzyskanych przez fizyków wykonujących doświadczenia.
R19HkV5DmShgX
Balmerowi udało się opracować wzór wiążący ze sobą poszczególne długości linii widmowych wodoru:
dla: ; .
RshztxFZXVG9M
Ćwiczenie 1
Widmo absorpcyjne
Na początku wieku zaobserwowano w widmie światła słonecznego obecność ciemnych linii. Od r. niemiecki fizyk J. FraunhoferJoseph von FraunhoferJ. Fraunhofer zaczął systematycznie badać widmo Słońca. Wyznaczał przede wszystkim długości fali odpowiadających ciemnym liniom. Doszedł do wniosku, że w widmie Słońca znajduje się ich ponad . Późniejsze badania Kirchhoffa i Bunsena dowiodły, że długości fali dla niektórych linii są dokładnie równe długościom czterech linii wodoru (patrz: tabela powyżej) wyznaczonych z analizy widma emisyjnego.
RTEKHewQ54xUy
Ciemne linie absorpcyjne oznaczają, że energia fal o tych długościach jest pochłaniana. Promieniowanie wychodzące z wnętrza Słońca przechodzi przez chłodniejsze warstwy atmosfery słonecznej i jest pochłaniane przez znajdujące się tam atomy. Badania doprowadziły do wniosku, że w atmosferze Słońca znajdują się atomy wodoru, żelaza, sodu, wapnia i dziesiątków innych pierwiastków.
Badania widm absorpcyjnych i emisyjnych są podstawowymi i najbardziej powszechnymi metodami dającymi wgląd w skład chemiczny gwiazd – nie możemy przecież polecieć tak daleko. Zdecydowana większość widm gwiazdowych to widma absorpcyjne – wynika to z faktu, że gaz znajdujący się blisko powierzchni gwiazdy jest chłodniejszy niż wnętrze samej gwiazdy i pochłania promieniowanie emitowane z jej środka. Poniższy rysunek przedstawia kilkanaście typów widm gwiazdowych.
RnbOtV5BtD1ha
Najwyższą temperaturę na powierzchni mają gwiazdy typu – sięga ona . Widma typu (widoczne na powyższym rysunku) są charakterystyczne dla gwiazd chłodniejszych. Do tego typu zalicza się nasze Słońce, które ma temperaturę powierzchniową ok. . Gwiazdy typu osiągają temperaturę ok. . Istnieją również gwiazdy o temperaturze zarówno powyżej , jak i poniżej .
Na przykładowym zestawie widać, że położenie linii absorpcyjnych jest stałe, ale nie wszystkie z nich są jednakowo dobrze widoczne. Powodem jest przede wszystkim temperatura powierzchni gwiazdy, która wpływa na stan atomów i ich prędkość. W wysokich temperaturach atomy są zjonizowane i ich widmo jest inne, niż gdyby znajdowały się one w stanie neutralnym. Ważne są również czynniki, takie jak gęstość gwiazdy oraz skład chemiczny, jednak – wbrew pozorom – nie jest on najistotniejszy. Astronomowie twierdzą bowiem, że jeżeli w widmie są widoczne linie jakiegoś pierwiastka, to na pewno znajduje się on w atmosferze gwiazdy. Natomiast jeżeli jakiś pierwiastek się tam znajduje, to w wypadku wystąpienia pewnych niekorzystnych okoliczności możemy nie zobaczyć jego linii.
Podsumowanie
Widmo, które składa się z oddzielnych linii widmowych, nazywamy widmem liniowym.
Wszystkie pierwiastki w stanie gazowym mają charakterystyczne widmo liniowe.
Widmo liniowe jest typowe dla gazów składających się z atomów lub cząsteczek. Przykładem są gazy takie jak wodór, hel, neon, argon, opary rtęci lub sodu.
Odkrycie linii widmowych wodoru oraz innych pierwiastków przyczyniło się do zrozumienia budowy atomu.
Gorące gazy wysyłają promieniowanie liniowe emisyjne. Jeżeli jednak promieniowanie mające widmo ciągłe przechodzi przez obszar zawierający chłodny gaz, to następuje absorpcja energii fal dokładnie o tych długościach, które dany atom może emitować.
Ćwiczenie 2
Opisz budowę i zasadę działania spektroskopu pryzmatycznego.
R1B7WhDJeqb9r
Spróbuj poszukać w Internecie informacji o tym urządzeniu.
RjInk3kmDtY2K
Wiązka światła przechodzi przez szczelinę w celu uformowania wąskiego paska, następnie przechodzi przez pryzmat w celu rozdzielenia poszczególnych kolorów, które jesteśmy już w stanie rozróżnić.
Zadanie podsumowujące moduł
R41zoc232jtpl1
Ćwiczenie 3
Łączenie par. Które z poniższych zdań są prawdziwe, a które fałszywe? Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”. . Każde ciało o temperaturze powyżej zera absolutnego emituje widmo liniowe.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Linie absorpcyjne pierwiastków powstają gdy przez gaz składający się z tych pierwiastków przechodzi promieniowanie z zewnątrz.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Odległości pomiędzy liniami Balmera są jednakowe.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Łączenie par. Które z poniższych zdań są prawdziwe, a które fałszywe? Przy każdym zdaniu w tabeli zaznacz „Prawda” albo „Fałsz”. . Każde ciało o temperaturze powyżej zera absolutnego emituje widmo liniowe.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Linie absorpcyjne pierwiastków powstają gdy przez gaz składający się z tych pierwiastków przechodzi promieniowanie z zewnątrz.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Odległości pomiędzy liniami Balmera są jednakowe.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Które z poniższych zdań są prawdziwe, a które fałszywe?
Prawda
Fałsz
Każde ciało o temperaturze powyżej zera absolutnego emituje widmo liniowe.
□
□
Linie absorpcyjne pierwiastków powstają gdy przez gaz składający się z tych pierwiastków przechodzi promieniowanie z zewnątrz.
□
□
Odległości pomiędzy liniami Balmera są jednakowe.
□
□
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.
Słownik
analiza widmowa
analiza widmowa
metoda badania składu substancji na podstawie analizy długości fal widma emitowanego przez tę substancję. Analiza widm pozwala na wyznaczanie temperatury gwiazdy, jej składu chemicznego, gęstości gazu w jej atmosferze, a nawet prędkości wirowania gwiazdy wokół własnej osi.
spektroskop
spektroskop
przyrząd służący do rozkładu promieniowania widzialnego na poszczególne barwy składowe (widmo) według długości fali. Pozwala na wyznaczyć długość fali danego promieniowania.
Biogramy
Johann Jakob Balmer12.03.1898Bazylea1.05.1825Lausen
RCHc44gUrr50w
Johann Jakob Balmer
[balmer] Zajmował się głównie geometrią i spektroskopią. Opracował wzór opisujący linie widmowe wodoru.
Robert Wilhelm Bunsen16.08.1899Heidelberg30.03.1811Getynga
R1Tde14pxLVgw
Robert Wilhelm Bunsen
[bunsen] Wspólnie z Kirchhoffem prowadził badania w dziedzinie spektroskopii. Jest też wynalazcą palnika ( r.), który do dziś jest stosowany w szkolnych pracowniach chemicznych (fizycznych), a nawet w budownictwie.
Joseph von Fraunhofer7.06.1826Monachium6.03.1787Straubing
RxvHrXy00zssA
Joseph von Fraunhofer
[jozef von fraunhofer] Największe odkrycia Josepha von Fraunhofera dotyczą optyki i astronomii. Jego wynalazkami są: siatka dyfrakcyjna, {spektroskop}spektroskopspektroskop pryzmatyczny i heliometr. Fraunhofer, niezależnie od A. Fresnela, opisał zjawisko dyfrakcji i zaobserwował linie absorpcyjne w widmie Słońca.
Gustaw Robert Kirchhoff17.10.1887Berlin12.03.1824Królewiec
RXqwYW3Rus5Pe
Gustaw Robert Kirchhoff
[gustaw robert kirśhof] Niemiecki fizyk, w latach profesor uniwersytetu we Wrocławiu. Znany jest przede wszystkim z prac nad teorią obwodów elektrycznych i temperaturowym promieniowaniem ciał. Skonstruował spektroskopspektroskopspektroskop (razem z R. W. Bunsenem), badał linie widmowe pierwiastków. Zastosował spektroskopię do badania atmosfery słonecznej i widma jaśniejszych gwiazd stałych.
Gustaw Robert Kirchhoff17.10.1887Berlin12.03.1824Królewiec
RXqwYW3Rus5Pe
Gustaw Robert Kirchhoff
[gustaw robert kirśhof] Niemiecki fizyk, w latach profesor uniwersytetu we Wrocławiu. Znany jest przede wszystkim z prac nad teorią obwodów elektrycznych i temperaturowym promieniowaniem ciał. Skonstruował spektroskopspektroskopspektroskop (razem z R. W. Bunsenem), badał linie widmowe pierwiastków. Zastosował spektroskopię do badania atmosfery słonecznej i widma jaśniejszych gwiazd stałych.
Robert Wilhelm Bunsen16.08.1899Heidelberg30.03.1811Getynga
R1Tde14pxLVgw
Robert Wilhelm Bunsen
[bunsen] Wspólnie z Kirchhoffem prowadził badania w dziedzinie spektroskopii. Jest też wynalazcą palnika ( r.), który do dziś jest stosowany w szkolnych pracowniach chemicznych (fizycznych), a nawet w budownictwie.
Johann Jakob Balmer12.03.1898Bazylea1.05.1825Lausen
RCHc44gUrr50w
Johann Jakob Balmer
[balmer] Zajmował się głównie geometrią i spektroskopią. Opracował wzór opisujący linie widmowe wodoru.
Joseph von Fraunhofer7.06.1826Monachium6.03.1787Straubing
RxvHrXy00zssA
Joseph von Fraunhofer
[jozef von fraunhofer] Największe odkrycia Josepha von Fraunhofera dotyczą optyki i astronomii. Jego wynalazkami są: siatka dyfrakcyjna, {spektroskop}spektroskopspektroskop pryzmatyczny i heliometr. Fraunhofer, niezależnie od A. Fresnela, opisał zjawisko dyfrakcji i zaobserwował linie absorpcyjne w widmie Słońca.