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
Zdjęcie mgławicy w gwiazdozbiorze Kila, wykonane teleskopem Hubble'a w 2010 roku.
Źródło: NASA, ESA, R. O'Connell (University of Virginia), F. Paresce (National Institute for Astrophysics, Bologna, Italy), E. Young (Universities Space Research Association/Ames Research Center), the WFC3 Science Oversight Committee, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA), dostępny w internecie: https://www.nasa.gov/, domena publiczna.
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 KirchhoffRobert BunsenRobert Wilhelm BunsenRobert Bunsen.

Rpz1DqQ4squar
Linie widmowe wodoru, helu, neonu i par rtęci
Źródło: Teravolt (http://commons.wikimedia.org), Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

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.

II połowie XIX 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
Materiał dotyczący widma wodoru.

Poniżej znajduje się tabela przedstawiająca długości fali i barwy widma liniowego wodoru.

Widmo atomu wodoru

Lp.

Długość fali λnm

Barwa

410,17

fioletowa

434,05

fioletowa

486,13

niebieska

656,27

czerwona

Fizycy często poszukują zależności matematycznych pomiędzy wielkościami wyznaczonymi doświadczalnie. Jedną z nich w 1884 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
Widmo wodoru
Źródło: Merikanto, Adrignola (http://commons.wikimedia.org), Dariusz Kajewski, edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

Balmerowi udało się opracować wzór wiążący ze sobą poszczególne długości linii widmowych wodoru:

λ=bn2n2-22

dla: n=3,4,5,6; b=364,6 nm.

RshztxFZXVG9M
Ćwiczenie 1
Sprawdź, dla jakiego n we wzorze Balmera otrzymujemy długości fali poszczególnych linii podanych w tabeli powyżej. Wyniki podaj z odkładnością do dwóch cyfr znaczących. Dla n=3 otrzymujemy falę o długości Tu uzupełnij nm (Hα). Dla n=4 otrzymujemy falę o długości Tu uzupełnij nm (Hβ). Dla n=5 otrzymujemy falę o długości Tu uzupełnij nm (Hγ). Dla n=6 otrzymujemy falę o długości Tu uzupełnij nm (Hδ).
Źródło: ZPE, licencja: CC BY 3.0.

Widmo absorpcyjne

Na początku XIX wieku zaobserwowano w widmie światła słonecznego obecność ciemnych linii. Od 1814 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 500. 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
Linie Fraunhofera. C, F – linie absorpcyjne wodoru; D1, D2 – linie sodu; H, K – linie wapnia zjonizowanego (pozbawionego jednego elektronu); E – jedna z linii żelaza (jest ich bardzo dużo); A i B – linie otrzymane w wyniku absorpcji światła przez cząsteczki tlenu znajdujące się w atmosferze ziemskiej
Źródło: Saperaud, Cepheiden, Eric Bajart, edycja: Krzysztof Jaworski, dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org, licencja: CC BY 3.0.

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
Ze względu na temperaturę powierzchni i skład chemiczny, gwiazdy można podzielić na siedem podstawowych typów widmowych: O, B, A F, G, K, M. Typy te, w zależności od linii absorpcyjnych występujących w widmach gwiazd, można z kolei podzielić na podtypy oznaczane cyframi od 0 do 9. Widmo Słońca jest widmem typu G2.
Źródło: KPNO 0.9-m Telescope, AURA, NOAO, NSF, dostępny w internecie: https://apod.nasa.gov/apod/ap010530.html, domena publiczna.

Najwyższą temperaturę na powierzchni mają gwiazdy typu O – sięga ona 25000 K. Widma typu G (widoczne na powyższym rysunku) są charakterystyczne dla gwiazd chłodniejszych. Do tego typu zalicza się nasze Słońce, które ma temperaturę powierzchniową ok. 6000 K. Gwiazdy typu M5 osiągają temperaturę ok. 3000 K. Istnieją również gwiazdy o temperaturze zarówno powyżej 25000 K, jak i poniżej 3000 K.

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
(Uzupełnij).

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
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
Szwajcarski fizyk i matematyk
Źródło: N.N., dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Johann Jakob Balmer

[balmer]
Zajmował się głównie geometrią i spektroskopią. Opracował wzór opisujący linie widmowe wodoru.

Robert Wilhelm Bunsen16.08.1899Heidelberg30.03.1811Getynga
R1Tde14pxLVgw
Niemiecki fizyk i chemik
Źródło: C. H. Jeens, dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org, domena publiczna.

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 – odkrywca linii absorpcyjnych w widmie Słońca
Źródło: N.N., dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org, domena publiczna.

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
Odkrywca prawa promieniowania ciała doskonale czarnego i metody analizy widmowej
Źródło: QWerk, edycja: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org, domena publiczna.

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
Odkrywca prawa promieniowania ciała doskonale czarnego i metody analizy widmowej
Źródło: QWerk, edycja: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org, domena publiczna.

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
Niemiecki fizyk i chemik
Źródło: C. H. Jeens, dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org, domena publiczna.

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
Szwajcarski fizyk i matematyk
Źródło: N.N., dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org, domena publiczna.

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 – odkrywca linii absorpcyjnych w widmie Słońca
Źródło: N.N., dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org, domena publiczna.

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.