Разговоры с квантовой механикой. Спектральная грамота.

Разговоры с Квантовой Механикой продолжаются! На очереди спектральная грамота, ее физическое обоснование и расшифровка звездных посланий! А если вы вдруг пропустили предыдущие две части нашей беседы - милости просим: часть первая, часть вторая.

- Раз уж мы обсудили основы, теперь мы можем перейти и к самой спектральной грамоте. Как нам уже известно, существуют три вида спектра, и только по одному его виду уже можно определить природу излучения источника. Например, если спектр непрерывный, то источником излучения является твердое или жидкое раскаленное вещество, либо газ, содержащий большое количество свободных электронов. Интересно, что в ходе экспериментов ученые прижигали тонкие металлические проволочки электрическим током до такой степени, что они превращались в газ, который содержал множество электронов. Такой газ давал непрерывный спектр.

Пример прибора для исследования спектра.

Пример прибора для исследования спектра. Источник: www.myshared.ru/slide/359433/

-Удивительно! А откуда берется столько свободных электронов?

- Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны рассмотреть строение атома. Как известно, атомы состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Атомы разных химических элементов имеют разные химические свойства и отличаются количеством субатомных частиц. Менять их строение с помощью химии нельзя, а вот физика с этой задачей справляется. Как думаете, из-за чего атом может потерять электрон?

- Ну… Может на него влияют какие-нибудь другие частицы. Другие атомы или электроны, например.

- Да, Вы правы. А еще освободить электрон может фотон. Об этом товарище мы еще поговорим. Кстати, процесс, при котором атом теряет электрон называется ионизацией. В ходе него атом получает положительный заряд. Если у бедолаги забрать еще один электрон, то атом будет дважды ионизированным и получит двойной положительный заряд.

Ионизация молекул газа.

Ионизация молекул газа.

- И это наносит ему ощутимый ущерб?

- Я бы так не сказала. Скорее, беспокойство. Атом стремится к восстановлению. Свободные же электроны могут насладиться своей независимостью непродолжительный промежуток времени, ведь за ними постоянно охотятся ионизированные атомы.

-  А от чего зависит интенсивность данного процесса?

-Чем меньше количество электронов на единицу объема, тем реже электроны будут попадать в ловушку. Как нам известно, чем выше температура вещества, тем быстрее движутся частицы, а значит чаще сталкиваются. Если говорить о скорости, то медленный электрон поймать проще, чем быстрый.

- Что нужно сделать, чтобы не «вытолкнуть» электрон, а перевести его на другую орбиту?

- Для этого нужно затратить вполне определенную энергию. Эту энергию электрону может сообщить, например, квант света - фотон. При этом происходит почти то же самое, что и при ионизации, только с меньшей энергией.

Пример ионизации молекул газа. Источник: fizik-school11.ucoz.ru

Пример ионизации молекул газа. Источник: fizik-school11.ucoz.ru

- А что происходит при поимке беглецов-электронов?

- Электрон попадает на более близкую орбиталь к ядру, отдав при этом часть своей энергии в виде излучения. Она будет равна разности энергий электронов внешней и внутренней орбит. У различных атомов и для разных орбит эта энергия отличается. Атом отдает пространству энергию в виде фотона. От того, какой энергией обладает этот квант зависит длина волны излучения, а от длины – цвет.

- Есть ли разница в строении оболочек ионизированных и нейтральных атомов?

-Да, орбиты электронов расположены у них по-разному. Поэтому испускают они разные кванты. У каждого типа атомов свой набор испускаемых им линий. Если от ядра атома оторвать все электроны, то он вообще не будет излучать.

- Все это жутко интересно! Но как можно использовать эти знания на практике?

- Еще как можно! Возьмем, к примеру, газ из атомов водорода. Он излучает фотоны всех частот, соответствующих расстояниям между различными электронными уровнями энергии в нем, т.е. его спектр состоит из волн определенных длин. Такой спектр для каждого газа является уникальным отпечатком, по которому его можно без труда определить.  Такие опыты по исследованию спектра различных газов (спектроскопии) начали проводить достаточно давно, однако на тот момент ученые не могли до конца объяснить получаемые результаты, т.к.  еще не разобрались со строением атома.

- Что еще интересного можно узнать о спектральных линиях газа?

- Оказалось, что порой в спектре встречаются целые наборы ярких линий, которые появляются вместе, когда другие группы линий того же атома по каким-либо причинам могут отсутствовать. Называются они мультиплетами.

- А как изменяется поведение атомов газа при разной температуре?

-  Когда газ холоднее – он поглощает энергию падающего на него излучения (с непрерывным спектром), но лишь на некоторых длинах волн. Из-за этого в спектре поглощения появляются темные линии, характерные для данного газа при излучении. Спектры излучения и поглощения можно сравнить с негативом и позитивом одной и той же фотографии.

Спектр поглощения и излучения одного и того же тела. Источник: http://chemistry-chemists.com/

Спектр поглощения и излучения одного и того же тела. Источник: http://chemistry-chemists.com/

Кроме того, получив энергию со стороны излучателя непрерывного спектра, атомы разбрасывают ее в разных направлениях. Поэтому, если смотреть на такой спектр через разреженный газ, то до наблюдателя дойдет лишь часть энергии. Такое явление называется рассеянием света атомами.

- Кхм, так что там все-таки с астрономией? Мы же с нее начинали…

- Так к ней и подошли! Ну-ка, чем у нас являются звезды?

- Насколько я знаю, это раскаленные шары из газа и пыли.

- Ионизированного газа. Звезды являются излучателями непрерывного спектра. У них есть атмосфера из более холодного газа. При наблюдении мы видим, что поглощение в такой атмосфере приводит к появлению темных линий спектра.

- То есть спектральному анализу подвергается атмосфера звезд?

- Совершенно верно! Она состоит из разных химических элементов, которые имеют определенные линии спектра. И этот набор линий спектра может сослужить нам неплохую службу!

- Вот это здорово! Как же его расшифровывать?

- С помощью знаний об эффекте Доплера. Мы знаем, что когда источник излучения к нам приближается, то длина волны уменьшается, а когда отдаляется – увеличивается. Смещение линий спектра характеризует движения источника относительно наблюдателя. У звезд мы это смещение можем заметить, так как они движутся с большой скоростью. При приближении линии спектра смещаются к фиолетовому, а при удалении- к красному.  Для общей массы газа смещение по спектру будет выражаться в уширении спектральных линий. У горячих звезд уширение линий особенно сильное. Еще помощью эффекта Доплера мы еще можем оценить скорость вращения звезд.

Эффект Допплера и смещение линий спектра.

Эффект Доплера и смещение линий спектра.

- А есть ли еще какой-нибудь эффект, связанный со спектром?

- Есть, и не один! Взять хотя бы эффект Зеемана, названный так в честь моего знакомого голландского физика Петера Зеемана. Это эффект, при котором линии спектра расщепляются под действием магнитного поля. Благодаря ему, мы можем «измерять» космические магнитные поля.

- Ничего себе! Мне и не снилось, что с изучением таких огромных звезд так тесно связана наука о маленьких частичках! Благодарю Вас за такой подробный рассказ, госпожа Квантовая механика и надеюсь на скорую встречу в будущем!

Анастасия Белых, специально для MakeItQuantum

Комментарии: