Část A. Vyberte správnou odpověď:

A) denní světlo

B) TV obrazovka

B) Infračervený laser

D) Žárovka

A) Pro zahřáté pevné látky

B) Pro ohřáté kapaliny

A) Pro zahřáté pevné látky

B) Pro ohřáté kapaliny

D) Pro zahřáté atomové plyny

Část B. Pro každého

A) spojité spektrum

B) Čárové spektrum

B) Pruhované spektrum

D) Absorpční spektra

Test z fyziky 11 "Typy záření a spektra"

Část A. Vyberte správnou odpověď:

A1. Které těleso vyzařuje tepelné záření?

A) denní světlo

B) TV obrazovka

B) Infračervený laser

D) Žárovka

A2. Která tělesa se vyznačují pruhovaným absorpčním a emisním spektrem?

A) Pro zahřáté pevné látky

B) Pro ohřáté kapaliny

C) Pro kterýkoli z výše uvedených orgánů

D) Pro zahřáté atomové plyny

E) Pro zředěné molekulární plyny

A3. Která tělesa se vyznačují čárovým absorpčním a emisním spektrem?

A) Pro zahřáté pevné látky

B) Pro ohřáté kapaliny

C) Pro zředěné molekulární plyny

D) Pro zahřáté atomové plyny

E) Pro kterýkoli z výše uvedených orgánů

Část B. Pro každého charakteristiky vyberte vhodný typ spektra

1. Spektra se získávají průchodem světla ze zdroje spojitého spektra látkou, jejíž atomy jsou v neexcitovaném stavu.
2. Skládá se ze samostatných čar různé nebo stejné barvy, které mají různá uspořádání
3. Sálejte zahřáté pevné a kapalné látky, plyny zahřáté pod vysokým tlakem.
4. Uveďte látky, které jsou v molekulárním stavu
5. Emitované plyny, páry nízké hustoty v atomovém stavu
6. Skládá se z velký počet těsně rozmístěné čáry
7. Jsou stejné pro různé látky, nelze je tedy použít ke stanovení složení látky
8. Jedná se o soubor frekvencí absorbovaných danou látkou. Látka absorbuje ty čáry spektra, které vyzařuje a je zdrojem světla
9. Jedná se o spektra obsahující všechny vlnové délky určitého rozsahu.
10. Umožňuje spektrálním čarám posoudit chemické složení světelného zdroje

A) spojité spektrum

Existují tři typy spektra záření – čárové, pruhované a spojité. Čárová spektra jsou pozorována, když emitují jednotlivé atomy nebo ionty. Skládají se z řady čar charakteristických pro danou látku, oddělených tmavými mezerami. Každý řádek odpovídá určité vlnové délce, nazývané monochromatické. Čárová spektra charakterizují jevy vyskytující se uvnitř atomu.

Pruhovaná spektra jsou emitována molekulami. Pás je řada těsně rozmístěných spektrálních čar. Emise pruhovaných spekter svědčí o komplikaci energetických stavů molekuly ve srovnání se stavy izolovaného atomu, v důsledku vibračních a rotační pohyby její základní jádra.

Vyzařují se spojitá spektra pevná tělesa. Kontinuální povaha těchto spekter je důsledkem silné interakce částic, které tvoří pevnou látku.

Forma čárového spektra závisí na struktuře odpovídajícího atomu chemický prvek, proto jsou všem chemickým prvkům vlastní přesně definovaná čárová spektra, která se od sebe liší jak počtem čar, tak svými vlnovými délkami. Nejjednodušší čárové spektrum dává atom vodíku, který má nejjednodušší strukturu. Hledání vysvětlení zákonitostí, které jsou tomuto spektru vlastní, vedlo k vytvoření kvantově mechanické teorie atomu.

Předně je třeba poznamenat, že čáry v emisním spektru libovolného atomu, včetně atomu vodíku, nejsou uspořádány náhodně, ale lze je spojovat do skupin nazývaných série. Uspořádání čar v těchto sériích podléhá určitým vzorům. Ve viditelné části spektra atomu vodíku je to Balmerova řada, v ultrafialové - Lymanova řada, v blízké infračervené - Paschenova řada atd. Vzorec nalezený empiricky pro vlnové délky l čar v každé z těchto řad má tvar:

Říká se tomu zobecněný Balmerův vzorec. V tomto vzorci R = 1,097 x 107 m-1 je Rydbergova konstanta, n A m celá čísla. Pro daný nčíslo m přebírá všechny celočíselné hodnoty počínaje n + 1. Li n=1 vzorec (1) popisuje Lymanovu řadu, n=2 série Balmer, n=3- Pashen série.

Fyzikální význam tohoto vzorce vyplývá z teorie struktury atomu vodíku a vodíku podobných atomů, vytvořené Bohrem na základě Planckovy kvantové hypotézy a Rutherfordova klasického planetárního modelu atomu. Bohr postuloval hlavní ustanovení jím vyvinuté teorie.

První postulát: v atomu existuje řada diskrétních stacionárních stavů, které odpovídají určitým hodnotám energie atomu: E 1, E 2, E 3,…. Ve stacionárním stavu atom nevyzařuje ani neabsorbuje energii.

Druhý postulát: k emisi a absorpci energie dochází při přechodu z jednoho stacionárního stavu do druhého. V tomto případě je emitováno nebo absorbováno kvantum energie hn, rovna energetickému rozdílu dvou stacionárních stavů:

hn = Em - En (2)

Kde h je Planckova konstanta. Výraz (2) určuje frekvenci n monochromatického záření emitovaného nebo absorbovaného atomem při přechodu ze stavu m do stavu n (Bohorova frekvenční podmínka).

Diskrétní stacionární stavy v Bohrově teorii byly vybrány pomocí speciálního pravidla pro kvantování oběžné dráhy, které bylo formulováno následovně: ze všech možných podle klasická mechanika oběžné dráhy jsou realizovány pouze ty, na kterých je moment hybnosti elektronu násobkem hodnoty (třetí postulát):

Ve vzorci (3) m je hmotnost elektronu; V n je rychlost elektronu n-tá stacionární dráha; rn je poloměr této oběžné dráhy; n- celé číslo: 1, 2, 3, ....

Po Bohrovi uvažujme atomový systém skládající se z jádra s nábojem Ze a jednoho elektronu s nábojem - E.

Na Z= 1 takový systém odpovídá atomu vodíku, pro ostatní Z - atomu podobnému vodíku, tzn. atom s atomovým číslem Z, ze kterého byly kromě jednoho odstraněny všechny elektrony. Pro zjednodušení výpočtů předpokládáme, že elektron rotuje po kruhové dráze a hmotnost jádra je ve srovnání s hmotností elektronu nekonečně velká a jádro je nehybné.

Dostředivá síla, který drží elektron na n-té stacionární dráze, vzniká silou Coulombovy přitažlivosti k jádru.

Odtud: , (4)

těch. když se elektron pohybuje po oběžné dráze, jeho kinetická energie a potenciální energie jsou ve vztahu 2T=-U (5)

Vydělením rovnice (4) rovnicí (3) získáme výraz pro rychlost elektronu per n-tý stacionární obíhat

Celková energie (E) elektronu na n-té stacionární oběžné dráze je součtem kinetické a potenciální energie a při zohlednění vzorce (5) se rovná:

Dosazením hodnoty rychlosti (6) do tohoto vzorce získáme následující výraz pro energie stacionárních stavů atomu:

Když elektron přejde z dráhy m na dráhu n, je emitováno kvantum energie podle vzorce (3)

Odtud frekvence spektrální čáry

Ve spektroskopii se obvykle používají vlnová čísla. Pak

Pro vodík (Z = 1) má vzorec (7) tvar:

a shoduje se se zobecněným Balmerovým vzorcem (1), který byl empiricky zjištěn pro vlnová čísla spektrálních čar atomu vodíku. Ze vzorců (1) a (8) vyplývá, že

Tato hodnota se shoduje s experimentálně stanovenou hodnotou Rydbergovy konstanty.

Obrázek 1 ukazuje schéma energetických hladin a tři série spektrálních čar atomu vodíku.

Přechody z vyšší úrovně do úrovně n = 1 odpovídá záření Lymanovy ultrafialové řady (I), pro kterou ze vzorce (8) získáme:

Kde m = 2, 3, 4, ...

Přechody z vyšších úrovní na úroveň n = 2 odpovídají záření viditelné Balmerovy řady (II):

Kde m = 3, 4, 5, ...

Přechody z vyšších úrovní na úroveň n = 3 odpovídají záření Paschenovy infračervené řady (III):

Kde m = 4, 5, 6, .…

Když je světlo absorbováno atomem, elektrony se pohybují z nižších úrovní do vyšších. V tomto případě atom přechází ze základního stavu do excitovaného stavu.

Bohrova teorie se vyznačovala vnitřní logickou nekonzistencí, takže se nemohla stát konzistentní kompletní teorií atomových jevů. V současné době jsou spektra atomů a molekul vysvětlována v rámci kvantové mechaniky.

Přístup k popisu stavu mikročástic v kvantová mechanika zásadně odlišný od klasického. Neumožňuje jednoznačně určit polohu uvažované částice v prostoru a její trajektorii, jak se to dělá v klasické mechanice, protože v mikrokosmu tyto pojmy ztrácejí svůj význam, ale pouze předpovídá, s jakou pravděpodobností se tato částice může nacházet v různých bodech prostoru. Proto má kvantová mechanika statistický charakter.

Základem matematického aparátu kvantové mechaniky je tvrzení, že popis stavu systému se provádí určitou funkcí souřadnic a času Y charakterizující tento stav. Tato funkce se nazývá vlnová funkce. Fyzikální význam nemá samotná vlnová funkce, ale druhá mocnina jejího modulu, která určuje pravděpodobnost dw detekce předmětu (mikročástice) v objemovém prvku dV. Pokud je funkce Y normalizována, pak dw = |Y| 2dV (9)

Pojďme zjistit vlastnosti vlnové funkce. S ohledem na to, co bylo řečeno výše fyzický smysl|Y| 2 vlnová funkce, Y by mělo být:

1. konečná, protože pravděpodobnost nemůže být větší než jedna;

2. jednoznačný;

3. průběžný, protože pravděpodobnost se nemůže náhle změnit.

Pro popis stavu systému v kvantové mechanice je tedy nutné znát vlnovou funkci tohoto systému. Vyplývá to ze Schrödingerovy rovnice, která je základní rovnicí nerelativistické kvantové mechaniky. Tato rovnice není odvozena, ale postulována na základě obecných úvah. Jeho platnost dokazuje shoda teoretických výsledků z něj získaných s experimentálními fakty. Obecně platí, že Schrödingerova rovnice má následující tvar:

Tady m je hmotnost částice, U je funkcí souřadnic a času, která se rovná potenciálu s opačným znaménkem silové pole, i- imaginární jednotka, - Laplaceův operátor, .

Pokud je silové pole, ve kterém se částice nachází, stacionární (nezávisí na čase), pak potenciál U nezávisí na čase a nabývá významu potenciální energie uvažované částice ve vnějším silovém poli. V tomto případě může být Y reprezentováno jako součin dvou funkcí, z nichž jedna závisí pouze na souřadnicích a druhá pouze na čase.

Tady E je celková energie částice, která v případě stacionární pole se v čase nemění.

Po dosazení tohoto výrazu do rovnice (10) pro funkci y(x,y,z) získá se následující rovnice:

která se nazývá Schrödingerova rovnice pro stacionární stavy.

Uvažujme atom vodíku z hlediska kvantové mechaniky. Dosadíme hodnotu potenciální energie elektronu v poli jádra do stacionární Schrödingerovy rovnice:

Rovnice (11) má v tomto případě tvar:

Protože pole jádra atomu vodíku má sférickou symetrii, je vhodné tuto rovnici řešit ve sférickém souřadnicovém systému (r, j, Q). Řešení se provádí metodou separace proměnných, reprezentujících vlnovou funkci jako součin dvou funkcí, z nichž jedna závisí pouze na r, a druhý pouze na úhlových souřadnicích j, Q.

y(r,Q,j) = R(r)×Y(Q,j)

S tímto znázorněním pravděpodobnost, že částice bude mít hodnoty souřadnic v rozsahu od r před r+dr určeno čtvercem |rr| 2.

Řešení Schrödingerovy rovnice (12) vede k následujícím hlavním výsledkům.

1. Vodíkový elektron má diskrétní energetické spektrum. Vlastní hodnoty energie jsou určeny výrazem:

Kde n- Hlavní věc kvantové číslo, který nabývá kladné celočíselné hodnoty ( n = 1, 2, 3, ...).

2. Orbitální moment hybnosti elektronu L může nabývat pouze následujících diskrétních řad hodnot:

Kde l- orbitální (azimutální) kvantové číslo. Může nabývat libovolné hodnoty z rozsahu: l= 0, 1, 2, 3, ..., (n-1) - celkem n hodnot. Stát z l= 0 se obvykle nazývá s-stav, s l = 1 – R- stát, c l= 2 – d-stav, s l = 3 – F- stát atd.

3. Orbitální moment hybnosti lze vzhledem k fyzikálně rozlišenému směru v prostoru (z) orientovat pouze tak, že jeho průmět do tohoto směru je násobkem , tedy

m se nazývá magnetické kvantové číslo. Může nabývat hodnot:

m=0, ±1, ±2, …, ± l- celkem (2 l+ 1) hodnoty.

Stav elektronu v atomu vodíku je tedy určen třemi kvantovými čísly – hlavním n, která určuje energii státu E n; azimut l charakterizující moment hybnosti elektronu L a magnetické m, definující orientaci L vzhledem ke zvolenému směru v prostoru. Stavy jsou popsány vlastními vlnovými funkcemi Y n, l, m což jsou řešení Schrödingerovy rovnice (18) .

Schrödingerova rovnice je nerelativistická. Účtování relativistických efektů (Diracova rovnice) vede k existenci vlastního momentu hybnosti elektronu – spinu, určeného kvantovým číslem s rovná se 1/2:

Projekce rotace do preferovaného směru z může trvat 2 s + 1 = 2 různé významy:

kde je kvantové číslo projekce spinu elektronu. Vezmeme-li v úvahu spin, je stav elektronu v atomu charakterizován čtyřmi kvantovými čísly: ke kvantovým číslům n,l,m mělo by být přidáno spinové kvantové číslo slečna.

Všimněte si, že diskrétnost fyzikálních veličin charakteristických pro jevy jaderný svět, v kvantové mechanice přirozeně vyplývá z řešení Schrödingerovy (Diracovy) rovnice, zatímco v Bohrově teorii bylo nutné ji zavést pomocí dalších podmínek v podstatě neklasického charakteru.

V sedmnáctém století označující souhrn všech významů jakéhokoli Fyzické množství. Energie, hmotnost, optické záření. Právě to druhé je často míněno, když mluvíme o spektru světla. Konkrétně spektrum světla je soubor pásů optického záření různých frekvencí, z nichž některá můžeme vidět každý den ve vnějším světě, zatímco některá jsou pouhým okem nepřístupná. Podle možnosti vnímání lidským okem se spektrum světla dělí na viditelná část a neviditelný. Ten je zase vystaven infračervenému a ultrafialovému světlu.

Typy spekter

Jsou tu také odlišné typy spektra. Jsou tři, v závislosti na spektrální hustotě intenzity záření. Spektra mohou být spojitá, čárová a pruhovaná. Typy spekter se určují pomocí

spojité spektrum

Spojité spektrum tvoří pevné látky nebo plyny zahřáté na vysokou teplotu. vysoká hustota. Známá duha sedmi barev je přímo ukázkou spojitého spektra.

čárové spektrum

Představuje také typy spekter a pochází z jakékoli látky, která je v plynném atomovém stavu. Zde je důležité poznamenat, že je v atomu, nikoli v molekule. Takové spektrum poskytuje extrémně nízkou vzájemnou interakci atomů. Protože nedochází k žádné interakci, atomy trvale vyzařují vlny stejné vlnové délky. Příkladem takového spektra je záře plynů zahřátých na vysokou teplotu.

pruhované spektrum

Pruhované spektrum vizuálně představuje samostatné pásy, jasně ohraničené spíše tmavými intervaly. Navíc každé z těchto pásem není zářením přesně definované frekvence, ale skládá se z velkého počtu světelných čar těsně vedle sebe. Příkladem takových spekter, jako v případě čárového spektra, je záře par při vysokých teplotách. Už je ale nevytvářejí atomy, ale molekuly, které mají extrémně blízkou společnou vazbu, která takovou záři způsobuje.

Absorpční spektrum

Tím však typy spekter stále nekončí. Kromě toho se rozlišuje jiný typ, jako je absorpční spektrum. Ve spektrální analýze jsou absorpční spektrum tmavé čáry na pozadí spojitého spektra a v podstatě je absorpční spektrum vyjádřením závislosti na absorpčním indexu látky, který může být více či méně vysoký.

I když existuje široká škála experimentálních přístupů k měření absorpčních spekter. Nejčastějším experimentem je, když generovaný paprsek záření prochází ochlazeným (pro absenci interakce částic a tedy luminiscence) plynem, načež se zjišťuje intenzita záření, které jím projde. Přenesená energie může být dobře použita pro výpočet absorpce.

27.02.2014 28264 0

Cílová: ukázat praktický význam spektrální analýzy.Povzbuzovat studenty k překonávání obtíží v procesu duševní činnosti, pěstovat zájem o fyziku.

Během vyučování

jáOrganizace času

II.Kontrola domácích úkolů.

V Co je podstatou Thomsonova modelu?

- Nakreslete a vysvětlete schéma Rutherfordova pokusu o rozptylu a-částic. Co v této zkušenosti vidíme?

- Vysvětlete důvod rozptylu a-částic atomy hmoty?

- Co je podstatou planetárního modelu atomu?

III. Učení nového materiálu

Slovo „spektrum“ zavedl do fyziky Newton, který jej používal ve svých vědeckých pracích. Slovo "spectrum" v překladu z klasické latiny znamená "duch", "odlitek", což poměrně přesně odráží podstatu jevu - vzhled sváteční duhy, když bezbarvé sluneční světlo prochází průhledným hranolem.

Všechny zdroje nevydávají světlo přesně definované vlnové délky. Frekvenční rozložení záření je charakterizováno spektrální hustotou intenzity záření.

Typy spekter

Emisní spektra

Soubor frekvencí (nebo vlnových délek), které jsou obsaženy v záření jakékoli látky, se nazývá emisní spektrum. Jsou tří typů.

Pevnýje spektrum obsahující všechny vlnové délky určitého rozsahu od červené po u k= 7,6 10 7 a až fialová

y f\u003d 4-10 11 m. Spojité spektrum vyzařují zahřáté pevné a kapalné látky, plyny zahřáté pod vysokým tlakem.

Rozhodoval -toto je spektrum vyzařované plyny, párami nízké hustoty v atomovém stavu. Skládá se ze samostatných čar různé nebo stejné barvy, které mají různá umístění. Každý atom vysílá sadu elektromagnetických vln o určitých frekvencích. Proto má každý chemický prvek své vlastní spektrum.

pruhované -je spektrum, které je vyzařováno plynem v molekulárním stavu.

Čárová a pruhová spektra lze získat zahřátím látky nebo průchodem elektrického proudu.

Absorpční spektra

Absorpční spektra se získávají průchodem světla ze zdroje spojitého spektra látkou, jejíž atomy jsou v neexcitovaném stavu.

Absorpční spektrum - je souhrn frekvencí absorbovaných danou látkou. Podle Kirchhoffova zákona látka absorbuje ty čáry spektra, které vyzařuje, a je zdrojem světla.

Objev spektrální analýzy vzbudil velký zájem i u veřejnosti daleko od vědy, což se v té době nestávalo příliš často. Jako vždy v takových případech našli nečinní amatéři mnoho dalších vědců, kteří údajně všechno dělali dávno před Kirchhoffem a Bunsenem. Na rozdíl od mnoha svých předchůdců si Kirchhoff a Bunsen okamžitě uvědomili význam svého objevu.

Poprvé jasně pochopili sami sobě (a přesvědčili o tom ostatní), že spektrální čáry jsou charakteristické pro atomy hmoty.

Po objevu Kirchhoffa a Bunsena 18. srpna 1868 pozoroval francouzský astronom Pierre-Jules-Cesar Jansen (1824-1907) při zatmění Slunce v Indii žlutou čáru neznámé povahy ve spektru sluneční koróny. O dva měsíce později se anglický fyzik Joseph Norman Lockyer (1836-1920) naučil pozorovat korónu Slunce bez čekání na zatmění Slunce a zároveň objevil stejnou žlutou čáru v jejím spektru. Neznámý prvek, který jej vyzařoval, nazval helium, tedy solární prvek.

Oba vědci o svém objevu napsali dopisy Francouzské akademii věd, oba dopisy dorazily ve stejnou dobu a byly přečteny na schůzi Akademie 26. října 1868. Tato shoda akademiků ohromila a rozhodli se vyřadit pamětní list Zlatá medaile- na jedné straně profil Jansena a Lockyera, na druhé bůh Apollo na voze a nápis: "Analýza slunečních protuberancí."

Na Zemi bylo helium objeveno v roce 1895 Williamem Ramsayem v minerálech thoria.

Studie emisních a absorpčních spekter umožňují stanovit kvalitativní složení látky. Kvantitativní obsah prvku ve sloučenině se určuje měřením jasu spektrálních čar.

Metoda stanovení kvalitativního a kvantitativního složení látky jejím spektrem se nazývá spektrální analýza. Při znalosti vlnových délek emitovaných různými výpary je možné stanovit přítomnost určitých prvků hmoty. Tato metoda je velmi citlivá. Je možné detekovat prvek, jehož hmotnost nepřesahuje 10~10 g. Spektrální analýza hrála ve vědě velkou roli. S jeho pomocí bylo studováno složení hvězd.

Vzhledem ke své relativní jednoduchosti a všestrannosti je spektrální analýza hlavní metodou sledování složení látky v metalurgii a strojírenství. Pomocí spektrální analýzy se zjišťuje chemické složení rud a minerálů. Spektrální analýza může být provedena za použití jak absorpčních, tak emisních spekter. Složení komplexních směsí je analyzováno molekulárním spektrem.

IV. Konsolidace studovaného materiálu

- Čárová emisní spektra poskytují excitované atomy, které spolu neinteragují. Která tělesa mají čárové emisní spektrum? (Vysoce zředěné plyny a nenasycené páry.)

- Jaké je spektrum rozžhavených kovů, roztaveného kovu? (Pevný.)

- Jaké spektrum lze pozorovat spektroskopem z rozžhavené spirály elektrické lampy? (Pevný.)

- Ve kterém skupenství v laboratořích spektrální analýzy zkoumat jakoukoli látku a určit její elementární složení? (V plynném stavu.)

- Proč se v absorpčním spektru téhož chemického prvku tmavé čáry nacházejí přesně v místech barevných čar čárového emisního spektra? (Atomy každého chemického prvku absorbují pouze ty paprsky spektra, které samy vyzařují.)

- Co je určeno absorpčními liniemi sluneční spektrum? (Chemické složení atmosféry Slunce.)

PROTI. Shrnutí lekce

Domácí práce

§ 54. otázky k sebeovládání z učebnice