Излучение и поглощение света атомами и молекулами

Спектр излучения –это совокупность частот (длин волн) электромагнитного излучения, испускаемого веществом в нагретом состоянии. Спектр поглощения – это совокупность частот (длин волн) электромагнитного излучения, поглощаемого веществом в холодном состоянии. Если излучение нагретого вещества разложить в спектр получается спектр излучения, а если поток белого света пропустить вид через вещество в холодном состоянии и разложить в спектр – спектр поглощения.

Нагретое вещество в жидком и твердом состоянии дает сплошной спектр излучения. В этом спектре один цвет непрерывно переходит в другой от темно-фиолетового до темно-красного. Вещество в разряженном атомарном состоянии дает линейчатый спек тр. В спектре излучения – это цветные линии на темном фоне, а в спектре поглощения темные линии на фоне сплошного спектра. Вещества, молекулы которых не одноатомны, дают полосатый спектр.

Из квантовой механики известно, что для атома водорода линии спектра описываются сериальной формулой

                                                   

где l - длина волны излучаемого фотона, k – номер энергетического уровня, на который переходит электрон, n – номер энергетического уровня, с которого переходит электрон.

Первые четыре линии серии Бальмера лежат в видимой области спектра (рис.). Для этой серии k = 2 и формула приобретает вид

                           

 

 

Спектры излучения и поглощения– это важнейшие характеристики вещества. По этим спектрам можно установить химический состав вещества, внутреннюю структуру атомов и молекул.

Спектр излучения – это распределение по длинам волн интенсивности электромагнитного излучения, испускаемого атомами, молекулами вещества, иначе говоря, совокупность длин волн электромагнитного излучения, испускаемого веществом. Различают три вида спектров излучения: линейчатый, полосатый и сплошной. Если нагреть атомарный газ, то его атомы будут испускать электромагнитное излучение, спектр которого будет линейчатый (тонкие цветные линии, разделенные темными промежутками). Нагретый многоатомный газ дает полосатый спектр (широкие цветные полосы, разделенные темными промежутками), а нагретые жидкости и твердые тела – сплошной спектр (спектр, где один цвет непрерывно переходит в другой от темно-красного до темно-фиолетового).

Для наблюдения спектров поглощения через исследуемое ненагретое вещество пропускается электромагнитное излучение сплошного спектра (белый свет). Прошедшее через вещество излучение разлагается в спектр. Таким образом, получается спектр поглощения. Спектр поглощения жидкостей представляет собой широкие темные полосы на фоне сплошного спектра. Его появление объясняется следующим.

Энергия молекул жидкостей состоит из энергии колебательного движения атомов в молекуле и энергии электронов:

Е_мол = Е_кол + Е_эл.

Тот и другой вид энергии квантуется. Так как масса атомов значительно больше массы электронов, то расстояние между энергетическими уровнями колебательного движения будет значительно меньше расстояния между электронными уровнями.

При поглощении света происходит увеличение как энергии электронной конфигурации молекул, так и энергии колебательного движения атомов. В результате на фоне сплошного спектра появляется система близко расположенных темных линий, которые и образуют широкие темные полосы поглощения, характерные только для данной жидкости. Спектры поглощения так же, как и спектры излучения используются для анализа химического состава исследуемого вещества.

Литература: Т.И. Трофимова Курс физики. М. 1990 с. 334-340

 Элементы физики ядра атома

Строение ядра атома. Два способа получения ядерной энергии

Атомное ядро состоит из нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. Массы этих частиц почти одинаковы и в 1840 раз больше массы электрона. Число протонов в ядре это зарядовое число Z, а число всех частиц в ядре А – массовое число. Атомы, ядра которых имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, назвали изотопами. Энергию, которую необходимо затратить для разделения ядра на составляющие его частицы, назвали энергией связи атомных ядер. Эта энергия вычисляется по формуле

,

где Dm – разность масс ядра и частиц, которые его составляют, в свободном состоянии, с – скорость света в вакууме.

При использовании несистемных единиц: атомных единиц массы (аем) и мегаэлектронвольт (МэВ) эта формула преобразуется к виду

.

Разность масс ядра и частиц, которые его составляют, в свободном состоянии находится по формуле

,

– масса атома водорода, m_n – масса нейтрона, m_ат – масса атома.

Удельная энергия связи e равна энергии связи в расчете на одну частицу ядра e = DЕ_св/А. Экспериментальные исследования показали, что зависимость e от А имеет следующий вид

 

 

Такое изменение удельной энергии связи связано с уменьшением массы частиц в результате изменения интенсивности ядерного взаимодействия между ними и изменением сил электростатического отталкивания между положительно заряженными протонами при изменении их числа в ядре. Поэтому удельная внутренняя энергия (внутренняя энергия в расчете на одну частицу ядра) будет зависеть от числа частиц в ядре следующим образом

Устойчивому положению равновесия соответствует состояние с минимальной энергией, то есть состояние с таким массовым числом А, которое соответствует средней части таблицы Менделеева. Переход атомных ядер в такое состояние может происходить при делении тяжелых ядер (при этом выделяется энергия около 1 МэВ на частицу ядра) и при синтезе легких ядер (при этом выделяется 7 – 8 МэВ на частицу ядра). Таковы основные пути получения ядерной энергии.