Se numește setul de frecvențe ale undelor electromagnetice care sunt prezente în radiația oricărui corp spectrul de emisie.

Spectrele sunt solid, stăpânitși in dungi.

Spectre continue dați toate substanțele care sunt în stare solidă sau lichidă. Spectrul continuu conține unde de toate frecvențele luminii vizibile și, prin urmare, arată ca o bandă colorată cu o tranziție lină de la o culoare la alta în această ordine: roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo și violet („Fiecare vânător vrea să știi unde stă fazanul” ).

Spectre de linie dați toate substanțele în stare atomică gazoasă. Atomii izolați ai tuturor substanțelor radiază seturi de unde cu frecvențe destul de definite, specifice doar lor. Așa cum fiecare persoană are propriile amprente personale, așa atomul unei substanțe date are propriul spectru, caracteristic doar pentru aceasta. Spectrele de emisie de linii arată ca linii colorate separate prin goluri. Natura spectrelor de linii se explică prin faptul că atomii unei anumite substanțe au doar propriile stări staționare cu propria lor energie caracteristică și, în consecință, propriul set de perechi de niveluri de energie pe care un atom le poate schimba, adică un electronul dintr-un atom se poate transfera doar de la o anumită orbită la alte orbite bine definite pentru o anumită substanță chimică.

Spectre în dungi sunt create de molecule care nu sunt legate sau slab legate între ele. Spectrele în dungi arată ca spectre de linie, doar că în loc de linii individuale, se observă serii separate de linii, percepute ca benzi separate separate de goluri întunecate.

Este caracteristic că ceea ce spectrul este emis de acești atomi, același este absorbit, adică. spectrele de emisie din punct de vedere al setului de frecvenţe emise coincid cu spectrele de absorbţie. Deoarece atomii diferitelor substanțe corespund unor spectre specifice numai lor, există o modalitate de a determina compoziția chimică a unei substanțe studiind spectrele acesteia. Această metodă se numește analiza spectrală. Analiza spectrală este utilizată pentru a determina compoziția chimică a minereurilor minerale în timpul exploatării, pentru a determina compoziția chimică a atmosferelor planetare; este metoda principală de monitorizare a compoziției unei substanțe în metalurgie și inginerie mecanică.

Flacăra emite lumină. Sticla absoarbe razele ultraviolete. Expresii obișnuite, concepte familiare. Cu toate acestea, aici termenii „radiază”, „absorb” descriu doar extern, observând cu ușurință, fizica acestor procese este direct legată de structura atomilor și a moleculelor de materie.

Un atom este un sistem cuantic, energia sa internă este practic energia interacțiunii electronilor cu nucleul; această energie, conform legilor cuantice, poate avea doar valori care sunt destul de definite pentru cuantica și starea atomilor. Astfel, energia unui atom nu se poate schimba continuu, ci doar în salturi - în porțiuni egale cu diferența a oricăror două valori de energie admise.

Un sistem cuantic (atom, moleculă), care primește o parte de energie din exterior, este excitat, adică. trece de la un nivel de energie la altul superior. Sistemul nu poate rămâne într-o stare excitată pentru un timp arbitrar lung; la un moment dat, are loc o tranziție inversă spontană (spontană) odată cu eliberarea aceleiași energie. Tranzițiile cuantice pot fi radiativși neradiativ. În primul caz, energia este absorbită sau emisă sub forma unei porțiuni de radiație electromagnetică, a cărei frecvență este strict determinată de diferența de energie dintre nivelurile între care are loc tranziția. În cazul tranzițiilor neradiative, sistemul primește sau emite energie atunci când interacționează cu alte sisteme (atomi, molecule, electroni).Prezența acestor două tipuri de tranziții se explică prin efect optoacustic Beinger.

Când un gaz într-un volum închis este iradiat, modulat de un flux de radiație infraroșie, în gaz apar pulsații de presiune (aproximativ efect ptico-acustic). Mecanismul său este destul de simplu; absorbția radiației infraroșii are loc cu excitarea moleculelor de gaz, în timp ce tranziția inversă are loc neradiativ, adică. energia de excitație a moleculelor este convertită în energia lor cinetică, ceea ce provoacă o modificare a presiunii.

Caracteristicile cantitative ale efectului sunt foarte sensibile la compoziția amestecului de gaze. Utilizarea efectului optic-acustic pentru analiză se caracterizează prin simplitate și fiabilitate, selectivitate ridicată și o gamă largă de concentrații ale componentelor.

Indicatorul opto-acustic este un receptor de energie radiantă neselectiv conceput pentru analiza gazelor. Fluxul radiant modulat prin fereastra de fluorit intră în camera cu gazul studiat. Sub acțiunea fluxului, presiunea gazului asupra membranei microfonului se modifică, drept urmare în circuitul microfonului apar semnale electrice, în funcție de compoziția gazului.

Efectul optoacustic este utilizat pentru a măsura durata de viață a excitației moleculelor, într-o serie de lucrări privind determinarea fluxurilor de umiditate și radiații. Rețineți că efectul optic-acustic este posibil și în lichide și solide.

Atomii fiecărei substanțe au propria lor structură de nivel de energie inerentă doar lor și, în consecință, structura tranzițiilor de impuls care pot fi înregistrate prin metode optice (de exemplu, fotografic). Această circumstanță stă la baza analizei spectrale. Deoarece moleculele sunt, de asemenea, sisteme pur cuantice, fiecare substanță (o colecție de atomi sau molecule) emite și absoarbe doar cuante din anumite energii sau radiații electromagnetice de anumite lungimi de undă). Intensitatea anumitor linii spectrale este proporțională cu numărul de atomi (molecule) care emit (sau absorb) lumină. Acest raport formează baza analizei spectrale cantitative.

Exemplu de aplicare a analizei spectrale:

Concentrația gazelor cunoscute în amestec este măsurată prin transmiterea radiației de la o sursă laser cu o anumită lungime de undă. Fiecare dintre gazele conținute în amestec, a cărui concentrație este cunoscută, este iradiat în prealabil cu radiații monocromatice cu lungimi de undă diferite, iar coeficientul de absorbție al fiecărui gaz este determinat pentru fiecare lungime de undă. Apoi, la aceste lungimi de undă, se modifică absorbția amestecului de testat și, folosind valorile coeficientului de absorbție obținute, se determină concentrația fiecărui gaz din amestec. Când se măsoară cu radiații care conțin mai multe lungimi de undă decât există componente în amestecul de gaze, poate fi detectată prezența gazelor necunoscute.

Pentru atomi și molecule, spectrele de emisie vor fi liniare și, respectiv, în dungi, și la fel pentru spectrele de absorbție. Pentru a obține un spectru continuu este necesară prezența unei plasme, adică. starea ionizată a materiei. În timpul ionizării, electronii sunt în afara atomului sau moleculei și, prin urmare, pot avea orice energie în continuă schimbare. Când acești electroni și ioni sunt recomandați, se obține un spectru continuu în care sunt prezente toate lungimile de undă.

Excitaţie(creșterea energiei interne) sau ionizarea atomilor apar sub influența diverselor cauze; în special, energia pentru aceste procese poate fi obţinută prin încălzirea corpurilor. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât energia de excitație este mai mare și corpul încălzit radiază undele din ce în ce mai scurte (cuante cu energie mai mare). Prin urmare, la încălzirea treptată, apare mai întâi radiația infraroșie (unde lungi), apoi roșie, la care se adaugă portocaliu, galben etc., odată cu creșterea temperaturii; în cele din urmă primește lumină.Încălzirea ulterioară duce la apariția unei componente ultraviolete.

Exemple de aplicații:

Un dispozitiv pentru măsurarea continuă a temperaturii unei băi de metal lichid conține o tijă dintr-un material translucid cu rezistență ridicată la temperatură și la coroziune. Tija trece prin peretele rezervorului și în interiorul acestuia din urmă este înglobat într-o masă de oxid fără alcali cu un punct de topire ridicat, cum ar fi oxidul de zirconiu. Capătul tijei, situat în rezervor, servește drept pirometru de culoare.

Tranziții radiative și neradiative în infraroșu. zonele sunt adesea folosite pentru procese și răcire:

Instrument de formare a sticlei cu corp metalic acoperit, caracterizat prin aceea că, în scopul completării și îmbunătățirii calității produselor, acoperirea este realizată în două straturi, stratul intermediar fiind realizat dintr-un material care absoarbe regiunea infraroșu apropiat. , de exemplu, grafit, iar stratul exterior este realizat dintr-un material care este transparent în regiunile spectrale ezhe, de exemplu pe bază de alumină policristalină transparentă;

O metodă de măsurare a conductivității termice a solidelor, inclusiv expunerea izotermă la răcirea acestuia la o temperatură ambientală constantă și înregistrarea modificărilor de temperatură, caracterizată prin aceea că, pentru măsurarea materialelor parțial transparente, proba în stadiul de absorbție este plasată în vid spatiul si se masoara energia emisa de suprafata probei in domeniul spectral.zone de absorbtie puternica.

Tranzițiile cuantice radiative pot avea loc nu numai spontan, ci și forțate sub acțiunea radiației externe, a cărei frecvență este în concordanță cu energia acestei tranziții. Emisia cuantelor de lumină de către atomii și moleculele unei substanțe sub acțiunea unui câmp electromagnetic extern (radiație) se numește forţat sau emisie indusă.

O diferență esențială între emisia stimulată este că este o copie exactă a emisiei de forțare. Toate caracteristicile coincid - frecvența, polarizarea, direcția de propagare și fază. Din această cauză, emisia stimulată poate duce, în anumite circumstanțe, la amplificarea radiației externe care a trecut prin substanță, în locul absorbției acesteia. Prin urmare, altfel se numește emisie stimulată absorbție negativă.

Pentru apariția emisiei stimulate este necesară prezența atomilor excitați în substanță, adică. atomi la niveluri mai mari de energie. De obicei, fracția de astfel de atomi este mică. Pentru a amplifica radiația care trece prin acesta este necesar ca fracția atomilor excitați să fie mare, astfel încât nivelurile cu energie mai mare să fie „populate” cu particule mai dens decât nivelurile inferioare. Această stare a materiei se numește stat cu inversarea populaţiei.

Descoperirea fizicienilor sovietici Fabrikant, Vudynsky și Butaeva fenomene de amplificare a undelor electromagnetice când trecerea printr-un mediu cu inversiune a populaţiei a fost fundamentală în dezvoltare generatoare cuantice optice (lasere) cea mai mare invenție a secolului.

O tijă de materie cu o inversare a populației creată artificial, plasată între două oglinzi, dintre care una translucidă - aceasta este schema schematică a celui mai simplu laser.

Este necesar un rezonator optic din două oglinzi pentru a crea feedback: o parte din radiație se întoarce în corpul de lucru, inducând o nouă avalanșă de fotoni. Radiația laser este monocromatică și coerentă datorită proprietăților radiațiilor stimulate.

Domeniile de aplicare ale laserelor sunt determinate de principalele caracteristici ale radiației lor, cum ar fi coerența, monocromaticitatea, concentrația mare de energie în fascicul și divergența redusă a acestuia. Pe lângă domeniile deja tradiționale de aplicare a laserelor, cum ar fi prelucrarea materialelor superdure și refractare, comunicarea cu laser și medicina loya și producția de plasmă la temperatură înaltă, au început să fie identificate noi domenii interesante de utilizare a acestora.

Laserele colorante dezvoltate recent sunt extrem de promițătoare, spre deosebire de cele convenționale, care permit schimbarea lină a frecvenței radiațiilor într-o gamă largă de la infraroșu la ultraviolete. Deci, de exemplu, ar trebui să se rupă cu un fascicul laser, sau invers, pentru a crea legături strict definite.

Se lucrează la separarea izotopilor folosind lasere reglabile. Schimbând frecvența laserelor, ei îl acordă în rezonanță cu o anumită tranziție cuantică a unuia dintre izotopi și, prin urmare, transferă izotopul într-o stare excitată în care poate fi ionizat și, folosind reacții electrice, separat de alți izotopi.

Și iată o utilizare pur inventivă a unui laser ca senzor de presiune:

Dispozitiv de măsurare a presiunii cu o ieșire în frecvență, care conține un element sensibil elastic umplut cu gaz și conectat printr-un separator la mediul măsurat și un frecvențămetru, caracterizat prin aceea că, pentru a îmbunătăți acuratețea măsurătorilor, folosește un rezonator celula unui generator cuantic de gaz ca element elastic sensibil.

În concluzie, trebuie remarcat faptul că laserele sunt principalul instrument de cercetare într-un nou domeniu al fizicii - optică neliniară, care își datorează însuși aspectul laserelor puternice

Teoria lui Bohr a făcut posibilă explicarea existenței spectrelor de linii.

Spectrul de emisie (sau de absorbție) este un set de unde de anumite frecvențe pe care le emite (sau le absoarbe) un atom al unei substanțe date.

Spectrele sunt solide, linii și dungi.

Spectrele continue emit toate substanțele care sunt în stare solidă sau lichidă. Spectrul continuu conține unde de toate frecvențele luminii vizibile și, prin urmare, arată ca o bandă colorată cu o tranziție lină de la o culoare la alta în această ordine: roșu, portocaliu, galben, verde, albastru și violet (fiecare vânător vrea să știe unde este fazanul stă).

Spectrele de linie emit toate substanțele în stare atomică. Atomii tuturor substanțelor radiază seturi de unde cu frecvențe destul de definite, specifice doar lor. După cum fiecare persoană are propriile amprente personale, astfel atomul unei substanțe date are propriul său spectru caracteristic doar pentru el. Spectrele de emisie de linii arată ca linii colorate separate prin goluri. Natura spectrelor de linii se explică prin faptul că atomii unei anumite substanțe au doar propriile stări staționare cu propria lor energie caracteristică și, în consecință, propriul set de perechi de niveluri de energie pe care un atom le poate schimba, adică un electronul dintr-un atom se poate transfera doar de la o anumită orbită la alte orbite bine definite pentru o anumită substanță chimică.

Spectrele cu dungi sunt emise de molecule. Spectrele în dungi arată ca spectre de linii, doar că în loc de linii individuale, se observă serii separate de linii, percepute ca benzi separate. Este caracteristic că oricare spectru emis de acești atomi este același absorbit, adică spectrele de emisie coincid cu spectrele de absorbție în ceea ce privește setul de frecvențe emise. Deoarece atomii diferitelor substanțe corespund unor spectre specifice numai lor, există o modalitate de a determina compoziția chimică a unei substanțe studiind spectrele acesteia. Această metodă se numește analiză spectrală. Analiza spectrală este utilizată pentru a determina compoziția chimică a minereurilor fosile în timpul exploatării, pentru a determina compoziția chimică a stelelor, atmosferelor, planetelor; este metoda principală de monitorizare a compoziției unei substanțe în metalurgie și inginerie mecanică.
№2 Lucrări de laborator.„Măsurarea EMF și a rezistenței interne a unei surse de curent folosind un ampermetru și un voltmetru”.

Scopul lucrării: măsurarea EMF și rezistența internă a unei surse de curent folosind un ampermetru și un voltmetru.

Echipamente necesare: sursa de curent, ampermetru, voltmetru, reostat, cheie, fire de conectare.

Biletul 24. Efectul fotoelectric și legile acestuia. Ecuația lui Einstein pentru efectul fotoelectric și constanta lui Planck. Aplicarea efectului fotoelectric în tehnologie.

În 1900, fizicianul german Max Planck a emis ipoteza că lumina este emisă și absorbită în porțiuni separate - cuante (sau fotoni). Energia fiecărui foton este determinată de formula E = hv, unde h este constanta lui Planck egală cu , v este frecvența luminii. Ipoteza lui Planck a explicat multe fenomene: în special, fenomenul efectului fotoelectric, descoperit în 1887 de omul de știință german Heinrich Hertz și studiat experimental de omul de știință rus A. G. Stoletov. Efectul fotoelectric este fenomenul de emisie de electroni de către o substanță sub influența luminii.
În urma cercetării au fost stabilite trei legi ale efectului fotoelectric.
1. Puterea curentului de saturație este direct proporțională cu intensitatea radiației luminoase incidente pe suprafața corpului.
2. Energia cinetică maximă a fotoelectronilor crește liniar cu frecvența luminii și depinde de intensitatea acesteia.
3. Dacă frecvența luminii este mai mică decât o anumită frecvență minimă definită pentru o anumită substanță, atunci efectul fotoelectric nu are loc.
Dependența fotocurentului de tensiune este prezentată în Figura 51.

Teoria efectului fotoelectric a fost creată de omul de știință german A. Einstein în 1905. Teoria lui Einstein se bazează pe conceptul funcției de lucru a electronilor dintr-un metal și pe conceptul de emisie cuantică de lumină. Conform teoriei lui Einstein, efectul fotoelectric are următoarea explicație: prin absorbția unui cuantum de lumină, un electron dobândește energie. La părăsirea metalului, energia fiecărui electron scade cu o anumită cantitate, care se numește funcție de lucru (Avy). Funcția de lucru este munca necesară pentru a îndepărta un electron dintr-un metal. Energie maximă

electroni după evadare (dacă nu sunt alte pierderi) are forma: . Această ecuație se numește ecuația lui Einstein.

Dispozitivele bazate pe principiul de funcționare ale cărora este fenomenul efectului fotoelectric se numesc fotocelule. Cel mai simplu astfel de dispozitiv este o fotocelula cu vid. Dezavantajele unei astfel de fotocelule sunt: ​​curent scăzut, sensibilitate scăzută la radiațiile cu undă lungă, dificultate în fabricație, imposibilitate de utilizare în circuite de curent alternativ. Se foloseste in fotometrie pentru masurarea intensitatii luminoase, luminozitatii, iluminarii, in cinematografe pentru reproducerea sunetului, in fototelegrafii si fototelefoane, in managementul proceselor de productie.
Există fotocelule semiconductoare în care, sub influența luminii, se modifică concentrația purtătorilor de curent. Sunt utilizate în controlul automat al circuitelor electrice (de exemplu, în turnichete de metrou), în circuitele de curent alternativ, ca surse de curent neregenerabile în ceasuri, microcalculatoare, se testează primele mașini solare, sunt folosite în bateriile solare pe artificiale. Sateliți Pământeni, stații automate interplanetare și orbitale.
Fenomenul efectului fotoelectric este asociat cu procese fotochimice care au loc sub acțiunea luminii în materialele fotografice.
№2 Sarcină pentru a aplica legea conservării impulsului.

O locomotivă diesel cu masa de 130 tone se apropie de un tren staționar cu masa de 1170 tone cu o viteză de 2 m/s. Cu ce ​​viteză se va deplasa trenul după cuplarea cu o locomotivă diesel?

Experimentele lui Rutherford privind împrăștierea particulelor alfa.Modelul nuclear al atomului.

Se știe că cuvântul „atom” în greacă înseamnă „indivizibil”. Fizicianul englez J. Thomson a dezvoltat (la sfârșitul secolului al XIX-lea) primul „model al atomului”, conform căruia atomul este o sferă încărcată pozitiv, în interiorul căreia pluteau electronii. Modelul propus de Thomson a avut nevoie de verificare experimentală, deoarece fenomenele de radioactivitate și efectul fotoelectric nu au putut fi explicate folosind modelul lui Thomson al atomului. Prin urmare, în 1911, Ernest Rutherford a efectuat o serie de experimente pentru a studia compoziția și structura atomilor. În aceste experimente, un fascicul îngust A -particulele emise de o substanta radioactiva au fost directionate catre o folie subtire de aur. În spatele lui a fost plasat un ecran capabil să strălucească sub impactul particulelor rapide. S-a constatat că majoritatea A -particulele se abate de la propagarea rectilinie după trecerea prin folie, adică sunt împrăștiate, iar unele A -particulele sunt aruncate cu 180 0 .

Traiectorii A- particule care zboară la distanţe diferite de nucleu

lasere

Pe baza teoriei cuantice a radiațiilor, au fost construite generatoare cuantice de unde radio și generatoare cuantice de lumină vizibilă - lasere. Laserele produc radiații coerente de foarte mare putere. Radiația laser este utilizată pe scară largă în diverse domenii ale științei și tehnologiei, de exemplu, pentru comunicarea în spațiu, pentru înregistrarea și stocarea informațiilor (discuri laser) și sudare și în medicină.

Emisia și absorbția luminii de către atomi

Conform postulatelor lui Bohr, un electron poate fi pe mai multe orbite definite. Fiecărei orbite a unui electron îi corespunde o anumită energie. Când un electron se mișcă de la o orbită apropiată la o orbită îndepărtată, sistemul atomic absoarbe o cantitate de energie. Când trece de la o orbită mai îndepărtată a unui electron la o orbită mai apropiată în raport cu nucleul, sistemul atomic emite un cuantum de energie.

Spectre

Teoria lui Bohr a făcut posibilă explicarea existenței spectrelor de linii.
Formula (1) oferă o idee calitativă a motivului pentru care spectrele de emisie și absorbție atomică sunt asemănătoare liniilor. De fapt, un atom poate emite doar unde ale acelor frecvențe care corespund diferențelor de valori ale energiei E1, E2,. . . , En ,. . De aceea, spectrul de radiații al atomilor constă din linii luminoase ascuțite situate separat. În același timp, un atom poate absorbi nu orice foton, ci doar pe cel cu energie hν care este exact egală cu diferența E n − E k vreo două valori energetice permise E nși E k. Trecerea într-o stare de energie superioară E n, atomii absorb exact aceiași fotoni pe care sunt capabili să îi emită în timpul tranziției inverse la starea inițială E k. Mai simplu spus, atomii preiau din spectrul continu acele linii pe care ei înșiși le emit; de aceea liniile întunecate ale spectrului de absorbție al unui gaz atomic rece se află exact în acele locuri în care se află liniile luminoase ale spectrului de emisie al aceluiași gaz în stare încălzită.

spectru continuu

Gamă- distributia energiei emise sau absorbite de o substanta, dupa frecvente sau lungimi de unda.

Dacă o prismă este plasată pe calea unui fascicul de lumină solară care pătrunde printr-o fantă dreptunghiulară îngustă și lungă, atunci pe ecran vom vedea nu o imagine a fantei, ci o bandă colorată întinsă, cu o tranziție treptată a culorilor de la roșu la violet. - un spectru. Acest fenomen a fost observat de Newton. Aceasta înseamnă că compoziția luminii solare include unde electromagnetice de diferite frecvențe. Un astfel de spectru se numește continuu.

Dacă lumina trece printr-o prismă, care este emisă de un gaz încălzit, atunci spectrul va arăta ca niște linii colorate separate pe un fundal negru. Un astfel de spectru se numește spectrul de emisie de linie. Aceasta înseamnă că gazul încălzit emite unde electromagnetice cu un anumit set de frecvențe. Mai mult, fiecare element chimic emite un spectru caracteristic care este diferit de spectrele altor elemente.

Dacă lumina trece printr-un gaz, atunci apar linii întunecate - spectrul de absorbție a liniilor.

Analiza spectrală- o metodă de determinare a compoziției calitative și cantitative a unei substanțe, bazată pe obținerea și studierea spectrelor acesteia.

Regularități ale radiației atomilor

Emisia de lumină are loc atunci când un electron dintr-un atom trece de la cel mai înalt nivel de energie E k la unul dintre nivelurile de energie inferioare E n (k > n). Atomul în acest caz emite un foton cu energie

Absorbția luminii este un proces invers. Un atom absoarbe un foton, trece dintr-o stare inferioară k la o stare superioară n (n > k). În acest caz, atomul absoarbe un foton cu energie