To ciekawe

Wszyscy znamy kolorowe neony. A czy nie zastanawia Cię, dlaczego one świecą różnymi kolorami? Od czego zależy barwa światła neonu? Odpowiedź znajdziesz w tym materiale.

R1ZfpZGcjm8Br

Rys. a. Zdjęcie poglądowe przestawia świąteczno‑noworoczną aurę póżnym wieczorem lub w nocy. Na pierwszym planie świecący neon w kolorze jasno niebieskim z rokiem 2019, na drugim planie świecąca choinka, a na dalszym planie widać światła miasta.

Warto przeczytać

Rozróżniamy różne rodzaje widm emisyjnych:

1. widma liniowe, składające się z oddzielonych od siebie linii, emitowane przez pojedyncze atomy rozgrzanych gazów (Rys. 1. a.),

2. widma ciągłe, które emitują rozgrzane ciała stałe i ciecze (Rys. 1. b.),

3. widma pasmowe, będące czymś pośrednim między widmem liniowym i ciągłym, które są emitowane przez złożone cząsteczki chemiczne (Rys. 1. c.).

Rakat3M42Sx1y

Rys. 1. Z lewej strony rysunku są trzy pryzmaty ułożone jeden pod drugim, przez które przechodzą promienie światła emitowanego przez trzy różne substancje. Promienie świetlne ulegają rozszczepieniu się w pryzmatach, w wyniku czego powstają widma pokazane po prawej stronie rysunku. a. Światło jest emitowane przez gaz o budowie atomowej. Powstaje widmo składające się z pojedynczych, barwnych linii na ciemnym tle. b. Światło jest emitowane przez gorące ciało stałe. Powstaje widmo składające się z wszystkich barw tęczy przechodzących jedna w drugą. Od lewej jest barwa fioletowa, przechodząca w niebieską, dalej w prawo barwa niebieska przechodzi w zieloną, zielona w żółtą, żółta w pomarańczową, a pomarańczowa w czerwoną. c. Światło jest emitowane przez gaz o budowie cząsteczkowej. Powstaje widmo składające się z barwnych pasków i pojedynczych linii na ciemnym tle.

Dlaczego atomy gazu wysyłają fale tylko o określonych długościach, układające się w widmo liniowe?

Fakt ten związany jest z budową atomu. Jak wiesz, atomy są zbudowane z jądra atomowego, wokół którego krążą elektrony. Elektrony są uwięzione w atomie za sprawą oddziaływania elektrycznego między dodatnimi ładunkami jądra i ujemnymi ładunkami elektronów. Energie elektronów w atomie mogą przybierać tylko pewne, określone wartości – mówimy, że elektron może znajdować się tylko na pewnych, ściśle określonych, tzw. dozwolonych poziomach energetycznych. Mówimy, że energia elektronów w atomie jest skwantowanakwantskwantowana (Rys. 2.).

R1W5kqVuj1IoZ

Rys. 2. Na rysunku jest pionowa oś skierowana do góry. Oś oznaczona jest wielką literą E. Odchodzą od niej w prawo poziome linie, symbolizujące poziomy energetyczne atomu wodoru. Przy najniższej linii jest zapisana wielką literą E z indeksem dolnym jeden. Przy coraz wyższych liniach kolejno napisy: wielka litera E z indeksem dolnym dwa, wielka litera E z indeksem dolnym trzy.

Gdy elektron w atomie przeskakuje z wyższego poziomu energetycznego na niższy, atom pozbywa się nadmiaru energii, emitując foton. Energia tego fotonu jest równa różnicy energii atomu w stanie początkowym i końcowym (Rys. 3. a.).

Elektron może znaleźć się na wyższym poziomie energetycznym, gdy pochłonie foton o odpowiedniej energii, równej dokładnie różnicy między poziomem końcowym i początkowym (Rys. 3. b.). Elektron przechodzi na wyższy poziom energetyczny skokowo. Atom, który pochłonął foton, w wyniku czego jego energia zwiększyła się, zmienia swój stan na wzbudzony. Ponieważ jednak każdy układ dąży do stanu o najmniejszej energii, dlatego po pewnym czasie taki wzbudzony atom emituje foton, przechodząc do stanu o niższej energii. Gdy atom ma najniższą możliwą energię, nie może już wyemitować fotonu. Taki stan atomu nazywamy stanem podstawowym.

Zarówno podczas emisji, jak i absorpcji fotonu przez atom, spełniona jest zasada zachowania energii, wyrażona wzorem:

gdzie $E_{f}$ jest energią fotonu wyemitowanego lub pochłoniętego przez atom, $E_{n}$ - wyższą energią elektronu, $E_{k}$ - niższą energią elektronu podczas przejścia między poziomami energetycznymi.

R1Pat6WuR5CTN

Rys. 3. Na obu rysunkach a (po lewej) i b (po prawej) jest pionowa oś skierowana do góry. Oś oznaczona jest wielką literą E. Odchodzą od niej w prawo dwie poziome linie, symbolizujące poziomy energetyczne atomu. Przy dolnej linii jest zapisana litera duże E z indeksem dolnym k. Przy górnej linii jest zapisana litera duże E z indeksem dolny n. Rys. a. Pionowa strzałka o początku na górnej linii i końcu na dolnej linii skierowana jest w dół. Obok z prawej strony strzałki jest falista linia ze strzałką skierowaną w prawo, która symbolizuje lecący foton. Pod nią jest napis: emisja fotonu o energii: litera duże E z indeksem dolnym f równa się litera duże E z indeksem dolnym n minus litera duże E z indeksem dolnym k. Rys. b. Pionowa strzałka o początku na dolnej linii i końcu na górnej linii ¬skierowana jest w górę. Obok z prawej strony strzałki jest falista linia ze strzałką skierowaną w lewo, która symbolizuje lecący foton. Pod nią jest napis: pochłonięcie fotonu o energii: litera duże E z indeksem dolnym f równa się litera duże E z indeksem dolnym n minus litera duże E z indeksem dolnym k.

Jak pobudzić gaz do świecenia?

Atomy powinny znaleźć się w stanie wzbudzonym, czyli muszą pochłonąć pewną energię. Można to spowodować ogrzewając gaz do wysokiej temperatury. Atomy poruszające się z wielkimi prędkościami, mogą podczas zderzeń pochłonąć część energii kinetycznej i przejść do stanu wzbudzonego. Inny sposób, stosowany na przykład w świetlówkach, polega na przyłożeniu do końców rury z rozrzedzonym gazem napięcia elektrycznego. Jony, znajdujące się w gazie, rozpędzone siłą  pochodzącą od pola elektrycznego, uderzają w atomy gazu i przekazują im energię. Atomy zostają wzbudzone, a następnie emitują fotony. Długość fali promieniowania związana jest z energią fotonu wzorem:

gdzie $\lambda$ jest długością fali, $c=2,997\cdot10^8~\frac{\text{m}}{\text{s}}$ – prędkością światła, zaś $h=4,137\cdot10^{-15}\text{ eV}\cdot\text{s}$ – stałą Plancka (jednostka eV oznacza elektronowoltelektronowolt (eV)elektronowolt).

Zmierzona długość fali pozwala wyznaczyć energię fotonu, a energia ta jest równa różnicy między dozwolonymi stanami energetycznymi w atomie. Każdy atom ma charakterystyczne dla siebie poziomy energetyczne. Znajomość widma promieniowania pozwala określić, z jakich atomów ono pochodzi. Na przykład, Rys. 4. przedstawia widma emisyjne neonu i argonu. Barwa światła, jaką odbiera nasze oko jest mieszaniną barw występujących w danym widmie. W widmie neonu przeważają linie pomarańczowe i czerwone dlatego taką barwę światła emituje świetlówka wypełniona neonem. Natomiast w widmie argonu dominują linie niebieskie i fioletowe, dlatego świetlówka wypełniona argonem świeci na fioletowo.

R1AcRjmWM9F7H

Rys. 4. Rysunek poglądowy przedstawia graficzną ilustrację treści, na którym znajdują się dwa paski z widmami emisyjnymi, jeden pod drugim. Na górze jest widmo emosyjne neonu oznaczonego duże N i małe e, a na dole arogonu oznaczonego duże A i małe r. Widma te różnią się od siebie.

Słowniczek