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 będzie nie widmem ciągłym, ale lecz liniami o różnych barwach (prawie monochromatycznych). Linie te są obrazem szczeliny, jednak to oznacza, że świecące gazy wysyłają promieniowanie nieciągłe, a zatem inne niż emitowane przez ciała stałe świecące w wyniku ich rozgrzania, których widmo składało się z fal o pełnym zakresie długości. A jak wygląda widmo nieciągłe? Dowiesz się tego z dzisiejszej lekcji.
![djęcie wykonane teleskopem Hubble'a w lipcu 2010 roku prezentuje region mgławicy w gwiazdozbiorze Kila, w którym zaobserwowano rodzenie się nowych gwiazd. Centralna część kadru jest wypełniona jasnymi punktami młodych gwiazd zbitych w ciasną gromadę, a od dołu otacza je mglisty obłok kosmicznych gazów i pyłów z kolorach fioletu i błękitu.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/RDjaPcXe2H8FB/4/10qKCJLpKjhPeKoEb9iuQkBHITj2o9dr.jpg)
podać zakres długości fal charakterystycznych dla światła widzialnego;
podać definicję promieniowania termicznego (cieplnego);
podać definicję ciała doskonale czarnego;
stwierdzić, że widmo promieniowania ciała doskonale czarnego ma charakter ciągły;
uzasadnić, dlaczego barwa świecącego ciała zależy od temperatury.
odróżniać widmo liniowe od ciągłego;
że źródłem widma liniowego są atomy swobodne w gazach;
że widmo emisyjne emitowane jest przez gorący gaz, a widmo absorpcyjne – przez chłodny gaz pochłaniający promieniowanie elektromagnetyczne (np. światło) o widmie ciagłym, które to promieniowanie przechodzi przez ten gaz.
1. Emisja energii
Za pomocą spektroskopu badano promieniowanie wysyłane przez sód i rtęć w stanie gazowym oraz przez inne gazy, takie jak wodór czy neon. Na podstawie wyników tych badań stwierdzono, że widmo tego promieniowania jest nieciągłe, 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 zjawiskiemodegrali fizycy Gustav KirchhoffGustav Kirchhoff i Robert BunsenRobert Bunsen.
![Ilustracja przedstawia widma czterech gazów. Widma mają kształt poziomych długich prostokątów. Szerokość to około piętnaście milimetrów. Długość około piętnaście centymetrów. Każde widmo ma powierzchnię pokrytą tęczowymi barwami. Lewy i prawy koniec widma to kolor czarny. W dalszej części widma kolory zmieniają się. Na lewo niebieski, przechodzi w zielony. Zielony przechodzi w bordowy i ponownie czarny. Linie widmowe ułożone są poziomo jedna nad druga. Górna linia widmowa to wodór. W środkowej części widma przeważa kolor zielony. Poniżej drugi prostokąt. To widmo helu. Lewa strona to kolor niebieski. W środku nieco zielone i prawa strona to bordo i czarny. W prawej części żółta pionowa linia. Szerokość około jeden milimetr. Trzecie widmo poniżej to neon. Lewa strona widma to kolor niebieski. W środkowej części niebieskiej liczne fioletowe pionowe linie skupione na szerokości pięciu milimetrów. Na prawo od części zielonej liczne żółte pionowe linie. Na powierzchni bordowej liczne czerwone linie. Czwarte widmo na dole to pary rtęci. Lewa część widma to kolor niebieski. Nieliczne pionowe fioletowe linie. Na prawo zielona barwa. Na końcu zielonej powierzchni liczne żółte pionowe linie. Na bordowej powierzchni jedna pomarańczowa pionowa linia.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R1N0Ay5iNlBR6/4/yacYw1LmFA8NsI0qSpl6U8TBEoLVXJl3.png)
Okazało się, że każdy pierwiastek ma inne widmo liniowe, które pozwala na jednoznaczną identyfikację danego pierwiastka. Badanie widma Słońca pokazało, że występują tam linie pierwiastka nieznanego na Ziemi. Nazwano go helium, czyli „słoneczny”. Późniejsze badania różnych gazów wykazały, że jest to gaz występujący również na Ziemi. Jednak w II połowie XIX wieku kłopoty sprawiało wyjaśnienie zarówno rozkładu energii w widmie ciała stałego (była o tym mowa w poprzednim rozdziale), jak i powstawania liniowego widma pierwiastków w stanie gazowym. Wyniki eksperymentalne były nie do pogodzenia z ówczesnym stanem wiedzy.
![](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/RzrepuvCxNzDD/4/spQhv9L0vLYRiixfY9wAjjEOBhJxJrLd.png)
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Nagranie przedstawia sposób uzyskania widma wodoru przy pomocy szkolnego pryzmatycznego spektrometru optycznego.
Lp. | Długość fali | Barwa |
1. | 410,17 | fioletowa |
2. | 434,05 | fioletowa |
3. | 486,13 | niebieska |
4. | 656,27 | czerwona |
Fizycy często poszukują zależności matematycznych pomiędzy wielkościami wyznaczonymi doświadczalnie. Jedną z nich wykrył matematyk Jan Jakub BalmerJan Jakub Balmer ze Szwajcarii – udało mu sie to zrobić na podstawie analizy wyników uzyskanych przez fizyków wykonujących doświadczenia.
![Ilustracja przedstawia widmo wodoru. Widmo wodoru to długi poziomo ustawiony prostokątny pas. Powierzchnia prostokąta czarna. Nad prostokątem duże litery „ha”. Na prawo od każdej litery „ha” mały grecki symbol. Litery ustawione są nad liniami widma. Po lewej stronie prostokąta czerwona pionowa linia. Powyżej litera „ha” z małym symbolem „alfa”. Po prawej stronie prostokąta znajdują się trzy linie widmowe. Jasno błękitna pionowa linia, pięć centymetrów od prawej krawędzi. Powyżej litera „ha” i symbol „beta”. Trzy centymetry na prawo granatowa pionowa linia. Powyżej litera „ha” i mały symbol „gamma”. Trzecia fioletowa linia, siedem milimetrów od krawędzi prostokąta. Powyżej litera „ha” i mały symbol „delta”.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R1etYQPjPA5vf/4/21XvNKN5s8LB5m5YKrpBHNOBuR2R1pAv.png)
Balmerowi udało się opracować wzór wiążący ze sobą poszczególne długości linii widmowych wodoru:
dla: ; .
Sprawdź, dla jakiego n we wzorze Balmera otrzymujemy długości fali poszczególnych linii podanych w tabeli powyżej.
2. Widmo absorpcyjne
Na początku XIX wieku zaobserwowano w widmie światła słonecznego obecność ciemnych linii. Od 1814 r. niemiecki fizyk J. 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 4 linii wodoru (patrz: tabela powyżej) wyznaczonych z analizy widma emisyjnego.
![Ilustracja to poziome widmo Słońca. Widmo słońca to poziomo ułożony długi prostokąt. Długość około piętnaście centymetrów. Wysokość około trzy centymetry. Powierzchnia prostokąta pokryta jest tęczowymi kolorami. Kolory zmieniają się w zależności od położenia linii absorpcyjnych. Poniżej dolnej krawędzi widma Słońca podziałka liczbowa. Podziałka rozpoczyna się po lewej stronie widma. Pierwsza liczba to trzysta dziewięćdziesiąt. Następne liczby podziałki zmieniają wartość o pięćdziesiąt. Następna liczba to czterysta a na końcu podziałki występuje liczba siedemset pięćdziesiąt. Powierzchnia widma jest pokryta pionowymi czarnymi liniami absorpcyjnymi. Nad górną krawędzią widma Słońca znajdują się duże litery wskazujące cząsteczki. Lewa strona widma to widma „ka” i „ha” czyli linie wapnia. Widmo jest czarne. Następne linie to wodoru i żelaza. Widmo jest fioletowe, granatowe, jasno niebieskie. Barwy przechodzą w kolor żółty na środku widma. Na środku znajdują się linie absorpcyjne sodu. Na prawo kolor jest bardziej pomarańczowy, czerwony i różowy. Na różowym, po prawej stronie widma, jest linia absorpcyjna wodoru. Na końcu prawej strony widma kolor przechodzi w ciemno bordowy. Dwie linie na końcu prawej strony to linie absorbcyjne tlenu.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R1FLIpSpH54e6/4/1vlvJnx7EoUShMW3HZYcZC6p4Rw3VjmE.png)
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.
Badanie widm absorpcyjnych jest podstawową i jedyną metodą badania 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.
![Ilustracja przedstawia widma gwiazdowe. Widma gwiazdowe to poziomo ułożone cienkie prostokątne pasy. Każdy pas ma długość około piętnaście centymetrów. Wysokość to około osiem milimetrów. Pasy tworzą duży poziomo ułożony prostokąt. Cały prostokąt tworzy dwanaście widm gwiazdowych. Powierzchnia widm zmienia kolory od niebieskiego, przechodzi w błękit, zieleń, żółty, pomarańczowy, czerwony i bordowy. Kolory zmieniają się w zależności od wielkości gwiazdy i](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/RJplDMi6JHAUs/4/1sls80RKeXF3Y8Jd14ERvbzResyJ0p0X.png)
Najwyższą temperaturę na powierzchni mają gwiazdy typu O – sięga ona 25 000 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 25 000 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, które 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.
W dalszych częściach podręcznika wrócimy jeszcze do tych zagadnień, jednak jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, musisz poczekać do rozpoczęcia studiów wyższych na jednym z odpowiednich kierunków ścisłych.
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 mogą być 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.
Poszukaj w internecie odpowiednich informacji i opisz budowę spektroskopu pryzmatycznego.
Słowniczek
– 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.
– przyrząd służący do rozkładu promieniowania widzialnego na poszczególne barwy składowe (widmo) według długości fali. Pozwala na wyznaczyć długość fali danego promieniowania.
Biogramy
![Zdjęcie przedstawia Jana Jakuba Balmera. Zdjęcie czarno białe. Mężczyzna w wieku około sześćdziesiąt lat. Twarz zwrócona w prawo. Skóra jasna, pokryta zmarszczkami. Czoło wysokie. Jasne gęste włosy zaczesane na bok. Policzki pulchne. Nos duży. Podwójny podbródek. Uszy duże. Mężczyzna ubrany w białą koszulę i ciemną marynarkę. Okulary z małymi okrągłymi oprawkami. Oprawki okularów metalowe.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R8Kn3lnbQO8sJ/4/2CzKjnQlq52XyNfhprQIhJZ9klCzUyEc.jpg)
Jan Jakub Balmer
Zajmował się głównie geometrią. Opracował wzór opisujący linie widmowe wodoru.
![Ilustracja przedstawia Roberta Bunsena. Szkic w ołówku. Mężczyzna w wieku około pięćdziesięciu lat. Twarz skierowana w stronę obserwatora. Czoło wysokie, pokryte poziomymi zmarszczkami. Ciemne, nieco falowane włosy zaczesane na boki. Końce włosów zawijają się w górę. Uszy duże. Ciemne krzaczaste brwi. Między brwiami pionowa bruzda. Oczy ciemne z dużymi zmarszczkami poniżej. Duży wydatny nos. Policzki pulchne. Bokobrody złączone z brodą. Broda przycięta, jasna. Pasek brody wzdłuż podbródka i poniżej kości żuchwowej. Skóra twarzy wokół ust gładko ogolona. Mężczyzna ubrany w białą koszulę. Wysoki kołnierz obwiązany czarną muszką. Szara kamizelka i marynarka.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R1UfokBsdJ2Ok/4/2lwQeHFl0hybmlVj8UXvzDhoCgkjHEE.jpg)
Robert Wilhelm Bunsen
Robert Bunsen wspólnie z Gustawem Kirchhoffem prowadził badania w dziedzinie spektroskopii. Jest też wynalazcą palnika (1850), który do dziś jest stosowany w szkolnych pracowniach chemicznych (fizycznych), a nawet w budownictwie.
![Zdjęcie przedstawia Josepha von Fraunhofera. Zdjęcie czarno białe. Mężczyzna w wieku około trzydziestu lat. Tors zwrócony w prawo. Twarz zwrócona w stronę obserwatora. Twarz pociągła. Skóra jasna gładko ogolona. Czoło wysokie. Czarne proste włosy zaczesane do tyłu. Uszy duże. Bokobrody długie i czarne. Brwi czarne wąskie. Nos długi wąski. Ostro zakończony podbródek. Wysoki kołnierz białej koszuli zakrywa szyję. Mężczyzna ubrany w czarną marynarkę. Na lewej klapie marynarki duży order. Okrągły order zawieszony na wstążce.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/R8kpIJyiEiC1t/4/1Ewlmv9MomDcJAEAS8wV9mufvdgiOjzU.jpg)
Joseph von Fraunhofer
Największe odkrycia Josepha von Fraunhofera dotyczą optyki i astronomii. Jego wynalazkami są: siatka dyfrakcyjna, spektroskop pryzmatyczny i heliometr. Fraunhofer, niezależnie od A. Fresnela, opisał zjawisko dyfrakcji i zaobserwował linie absorpcyjne w widmie Słońca.
![Zdjęcie przedstawia Gustawa Kirchhoffa. Zdjęcie czarno białe. Mężczyzna w wieku około sześćdziesięciu pięciu lat. Twarz zwrócona nieco w prawo. Skóra twarzy jasna pokryta zmarszczkami. Czoło wysokie. Czarne proste włosy zaczesane na bok. Włosy długie zakrywają uszy. Końce włosów lekko zakręcona nad uszami. Czarna gęsta broda połączona z bokobrodami. Broda krótko przycięta na bokach twarzy. Dłuższa poniżej ust. Czarne wąsy zakrywają górną wargę. Oczy małe. Nos długi ostro zakończony. Mężczyzna ubrany w białą koszulę. Czarna duża muszka poniżej wysokiego kołnierza koszuli. Czarna kamizelka i marynarka.](https://static.zpe.gov.pl/portal/f/res-minimized/RePeVcbjqwpbs/4/ctGrhKLqJAj5ERjlbxRZ4Kgdo8DokeCE.jpg)
Gustaw Robert Kirchhoff
Niemiecki fizyk, w latach 1850–54 profesor uniwersytetu we Wrocławiu. Znany jest przede wszystkim z prac nad teorią obwodów elektrycznych i temperaturowym promieniowaniem ciał. Skonstruował spektroskop (razem z R. W. Bunsenem), badał linie widmowe pierwiastków. Zastosował spektroskopię do badania atmosfery słonecznej i widma jaśniejszych gwiazd stałych.
Zadanie podsumowujące moduł
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. | □ | □ |