Спектры эмиссии и поглощения | Оптические явления и свойства вещества | Siyavula

1. Спектры излучения (ESCQS) Вы узнали ранее о структуре атома. Электроны, окружающие атомное ядро,...
2. Рабочий пример 4: Поглощение
3. Что дается и что нужно сделать?
4. Рассчитать энергию поглощенных фотонов
5. Найти энергию переходов, приводящих к излучению на видимых длинах волн
6. Применение спектров излучения и поглощения (ESCQV)
7. Идентификация элементов в астрономических объектах по их спектрам
8. Определение скоростей галактик с помощью спектроскопии
9. Глобальное потепление и парниковые газы
10. Спектры излучения и поглощения

Спектры излучения (ESCQS)

Вы узнали ранее о структуре атома. Электроны, окружающие атомное ядро, расположены в ряду уровней возрастающей энергии. Каждый элемент имеет уникальное количество электронов в уникальной конфигурации, поэтому каждый элемент имеет свой собственный набор энергетических уровней. Такое расположение уровней энергии служит уникальным отпечатком атома.

В начале 1900-х годов ученые обнаружили, что жидкость или твердое вещество, нагретые до высоких температур, будут излучать широкий спектр цветов света. Однако газ, нагретый до аналогичных температур, будет излучать свет только при определенных длинах волн (цветах). Причина этого наблюдения не была понята в то время.

Ученые изучили этот эффект с помощью разрядной трубки.

Рисунок 12.5: Схема разрядной трубки. Трубка заполнена газом. Когда на трубку подается достаточно высокое напряжение, газ ионизируется и действует как проводник, пропуская ток через цепь. Ток возбуждает атомы ионизированного газа. Когда атомы возвращаются в свое основное состояние, они испускают фотоны, чтобы унести лишнюю энергию.

Разгрузочная трубка (показана на Рисунок 12.5 ) - заполненная газом стеклянная трубка с металлической пластиной на обоих концах. Если между двумя металлическими пластинами приложена достаточно большая разность напряжений, атомы газа внутри трубки будут поглощать достаточно энергии, чтобы заставить отрываться некоторые их электроны, то есть атомы газа ионизируются. Эти электроны начинают двигаться через газ и создают ток, который поднимает некоторые электроны в других атомах до более высоких энергетических уровней. Затем, когда электроны в атомах падают обратно, они испускают электромагнитное излучение (свет). Количество света, излучаемого на разных длинах волн, называемое спектром излучения , показано для газоразрядной трубки, заполненной газообразным водородом, в Рисунок 12.6 ниже. Видны только определенные длины волн (то есть цвета) света, как показано линиями на рисунке.

Рисунок 12.6: Диаграмма спектра излучения водорода в видимом спектре. Четыре линии видны и помечены их длинами волн. Три линии в диапазоне \ (\ text {400} \) - \ (\ text {500} \) \ (\ text {nm} \) находятся в синей части спектра, а верхняя линия (\ ( \ text {656} \) \ (\ text {nm} \)) находится в красной / оранжевой части.

В конце концов, ученые поняли, что эти линии происходят от фотонов определенной энергии, испускаемых электронами, совершающими переходы между конкретными энергетическими уровнями атома. Рисунок 12.7 показывает пример этого происходящего. Когда электрон в атоме падает с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень, он испускает фотон, чтобы унести дополнительную энергию. Энергия этого фотона равна разности энергий между двумя энергетическими уровнями (\ (\ Delta E \)).

\ [\ Delta E _ {\ text {электрон}} = E_f - E_i \]

Как мы уже обсуждали, частота фотона связана с его энергией через уравнение \ (E = hf \). Поскольку конкретная частота фотона (или длина волны) дает нам определенный цвет, мы можем видеть, как каждая цветная линия связана с определенным переходом.

Рисунок 12.7: На первой диаграмме показаны некоторые уровни энергии электронов для атома водорода. Стрелками показаны переходы электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие энергетические уровни. Энергии испускаемых фотонов такие же, как разность энергий между двумя уровнями энергии. Вы можете думать о поглощении как о противоположном процессе. Стрелки будут указывать вверх, а электроны будут прыгать на более высокие уровни, когда они поглощают фотон нужной энергии. Второе представление показывает длины волн света, который испускается для различных переходов. Переходы сгруппированы в серии на основе самого низкого уровня, участвующего в переходе.

Видимый свет - не единственный вид излучаемого электромагнитного излучения. Более энергичные или менее энергичные переходы могут производить ультрафиолетовое или инфракрасное излучение. Однако, поскольку каждый атом имеет свой собственный набор энергетических уровней (его отпечаток пальца!), Каждый атом имеет свой собственный спектр излучения.

Спектры поглощения (ESCQT)

Атомы не только испускают фотоны; они также поглощают фотоны. Если фотон попадает в атом, а энергия фотона совпадает с зазором между двумя энергетическими уровнями электрона в атоме, то электрон на нижнем энергетическом уровне может поглощать фотон и подпрыгивать до более высокого энергетического уровня. Если энергия фотона не соответствует разнице между двумя уровнями энергии, то фотон не будет поглощен (он все еще может быть рассеян).

Используя этот эффект, если у нас есть источник фотонов различной энергии, мы можем получить спектры поглощения для разных материалов. Чтобы получить спектр поглощения, просто направьте белый свет на образец интересующего вас материала. Белый свет состоит из всех различных длин волн видимого света, вместе взятых. В спектре поглощения будут пробелы. Зазоры соответствуют энергиям (длинам волн), для которых существует соответствующая разница в уровнях энергии для конкретного элемента.

Поглощенные фотоны отображаются в виде черных линий, потому что фотоны этих длин волн были поглощены и не проявляются. Из-за этого спектр поглощения является точной инверсией спектра излучения. Посмотрите на две цифры ниже. В Рисунок 12.8 Вы можете увидеть спектр излучения линии водорода. Рисунок 12.9 показывает спектр поглощения. Это полная противоположность спектру излучения! Методы эмиссии и поглощения могут быть использованы для получения одинаковой информации об энергетических уровнях атома.

Спектр эмиссии водорода.

Спектр поглощения водорода.

Темные линии соответствуют частотам света, которые были поглощены газом. Поскольку фотоны света поглощаются электронами, электроны переходят на более высокие энергетические уровни. Это противоположный процесс эмиссии.

Темные линии, линии поглощения, соответствуют частотам спектра излучения одного и того же элемента. Количество энергии, поглощенной электроном для перехода на более высокий уровень, совпадает с количеством энергии, высвобождаемой при возврате к исходному уровню энергии.

Рабочий пример 4: Поглощение

У меня есть неизвестный газ в стеклянной таре. Я пропускаю яркий белый свет через одну сторону контейнера и измеряю спектр проходящего света. Я заметил, что в середине видимой красной полосы в \ (\ text {642} \) \ (\ text {nm} \) есть черная линия (линия поглощения ). У меня есть предположение, что газ может быть водородом. Если я прав, между какими двумя энергетическими уровнями происходит этот переход? (Подсказка: посмотрите на Рисунок 12.7 и переходы, которые находятся в видимой части спектра.)

Что дается и что нужно сделать?

У нас есть линия поглощения в \ (\ text {642} \) \ (\ text {nm} \). Это означает, что вещество в стеклянном контейнере поглощало фотоны с длиной волны 642 нм. Нам нужно рассчитать, каким 2 энергетическим уровням водорода будет соответствовать этот переход. Поэтому нам нужно знать, какой энергией обладают поглощенные фотоны.

Рассчитать энергию поглощенных фотонов

\ begin {align *} E & = \ frac {hc} {\ lambda} \\ & = \ frac {\ left (\ text {6,63} \ times \ text {10} ^ {- \ text {34}} \ right) \ times \ left (\ text {3} \ times \ text {10} ^ {\ text {8}} \ right)} {\ text {642} \ times \ text {10} ^ {- \ text {9}}} \\ & = \ text {3,1} \ times \ text {10} ^ {- \ text {19}} \ text {J} \ end {align *}

Поглощенные фотоны имели энергию \ (\ text {3,1} \ times \ text {10} ^ {- \ text {19}} \) \ (\ text {J} \).

Найти энергию переходов, приводящих к излучению на видимых длинах волн

Рисунок 12.7 показывает различные переходы уровня энергии. Переходы, связанные с видимыми длинами волн, отмечены как переходы, начинающиеся или заканчивающиеся на Энергетическом уровне 2. Давайте найдем энергию этих переходов и сравним с энергией поглощенных фотонов, которые мы только что рассчитали.

Энергия перехода (поглощения) от Энергетического уровня 2 к Энергетическому уровню 3:

\ begin {align *} \ Delta E_ {electronic} = {E} _ {2,3} & = {E} _ {2} - {E} _ {3} \\ & = \ text {16,3} \ times \ text {10} ^ {- \ text {19}} - \ text {19,4} \ times \ text {10} ^ {- \ text {19}} \\ & = - \ text {3, 1} \ times \ text {10} ^ {- \ text {19}} \ text {J} \ end {align *}

Поэтому энергия фотона, которую электрон должен поглотить, чтобы перейти с энергетического уровня 2 на энергетический уровень 3, равна \ (\ text {3,1} \ times \ text {10} ^ {- \ text {19}} \) \ (\ текст {j} \). (ПРИМЕЧАНИЕ. Знак минус означает, что происходит поглощение .)

Это та же энергия, что и фотоны, которые были поглощены газом в контейнере! Поэтому, поскольку переходы всех элементов уникальны, можно сказать, что газом в контейнере является водород. Переход - это поглощение фотона между Энергетическим уровнем 2 и Энергетическим уровнем 3.

Энергия фотона не соответствует энергии энергетического уровня, она соответствует разнице в энергии между двумя энергетическими уровнями.

Применение спектров излучения и поглощения (ESCQV)

Изучение спектров звезд и галактик в астрономии называется спектроскопией . Спектроскопия - это инструмент, широко используемый в астрономии для изучения различных вещей об астрономических объектах.

Идентификация элементов в астрономических объектах по их спектрам

Измерение спектра света от звезды может сказать астрономам, из чего сделана звезда. Поскольку каждый элемент излучает или поглощает свет только на определенных длинах волн, астрономы могут определить, какие элементы находятся в звездах по линиям в их спектрах. Из изучения спектров многих звезд мы знаем, что есть много разных типов звезд, которые содержат разные элементы и в разных количествах.

Определение скоростей галактик с помощью спектроскопии

Вы уже узнали в Глава 9 об эффекте Доплера и о том, как частота (и длина волны) звуковых волн изменяется в зависимости от того, движется ли излучающий звук объект к вам или от вас. То же самое происходит с электромагнитным излучением (светом). Если объект, излучающий свет, движется к нам, тогда длина волны света кажется короче (так называемый синий цвет ). Если объект удаляется от нас, то длина волны его света кажется растянутой (называемой красным смещением ).

Эффект Доплера влияет на спектры объектов в космосе в зависимости от их движения относительно нас на Земле. Например, свет из далекой галактики, который удаляется от нас с некоторой скоростью, будет выглядеть красным смещением. Это означает, что линии излучения и поглощения в спектре галактики будут смещены на более длинную волну (более низкую частоту). Знание, где обычно находится каждая линия в спектре, если галактика не движется, и сравнение ее с красным смещением, позволяет астрономам точно измерять скорость галактики относительно Земли.

Глобальное потепление и парниковые газы

Солнце испускает излучение (свет) в диапазоне длин волн, которые в основном находятся в видимой части спектра. Излучение на этих длинах волн проходит через газы атмосферы, чтобы нагреть землю и океаны внизу. Теплая земля затем излучает это тепло на более длинных инфракрасных волнах. Диоксид углерода (один из основных парниковых газов) в атмосфере имеет уровни энергии, соответствующие инфракрасным длинам волн, которые позволяют ему поглощать инфракрасное излучение. Затем он также излучает на инфракрасных длинах волн во всех направлениях. Этот эффект предотвращает выход большого количества инфракрасного излучения из атмосферы, что вызывает нагревание атмосферы и земли. Входит больше радиации, чем выходит обратно.

Таким образом, увеличение количества парниковых газов в атмосфере увеличивает количество захваченного инфракрасного излучения и, следовательно, общую температуру Земли. Земля - ​​это очень чувствительная и сложная система, от которой зависит жизнь, и изменение тонкого баланса температуры и содержания газа в атмосфере может иметь катастрофические последствия, если мы не будем осторожны.

Ты можешь это сделать! Позвольте нам помочь вам учиться умнее для достижения ваших целей. Практика Siyavula поможет вам в вашем собственном темпе, когда вы будете задавать вопросы онлайн.

Зарегистрируйтесь, чтобы улучшить свои оценки

Спектры излучения и поглощения

Упражнение 12.2

Объясните, как возникают атомные эмиссионные спектры и как они связаны с каждым элементом в периодической таблице.

Спектры атомной эмиссии возникают в результате падения электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие энергетические уровни внутри атома, при этом выделяются фотоны (световые пакеты) с определенной длиной волны. Уровни энергии в атоме являются специфическими / уникальными для каждого элемента в периодической таблице, поэтому длина волны испускаемого света может использоваться для определения того, из какого элемента пришел свет.

Как линии на атомном спектре связаны с электронными переходами между уровнями энергии?

Линии на атомном спектре относятся к электронным переходам между энергетическими уровнями, если электрон понижает энергетический уровень, фотон высвобождается, что приводит к линии излучения, и если электрон поглощает фотон и поднимает энергетический уровень, в спектре наблюдается линия поглощения. ,

Объясните разницу между атомным спектром поглощения и эмиссии.

Разница между спектрами поглощения и излучения состоит в том, что линии поглощения - это то место, где свет поглощается атомом, поэтому вы наблюдаете провал в спектре, тогда как в спектрах излучения наблюдаются пики в спектрах из-за того, что атомы выделяют фотоны на этих длинах волн.

Опишите, как спектры поглощения и эмиссии газов в атмосфере вызывают парниковый эффект.

В вашем ответе должно быть следующее: в каком диапазоне длин волн солнечный свет достигает земли, поглощение солнечного света и переизлучение в виде инфракрасного света, и, наконец, рассеяние инфракрасного света углекислым газом и как это рассеяние способствует парниковому эффекту.

Какого цвета свет излучается водородом, когда электрон переходит с уровня энергии 5 на уровень энергии 2? (Использование Рисунок 12.7 чтобы найти энергию выпущенного фотона.)

\ begin {align *} \ Delta E & = E_5 - E_2 \\ & = \ text {21,0} \ times \ text {10} ^ {- \ text {19}} \ text {J} - \ text { 16,3} \ times \ text {10} ^ {- \ text {19}} \ text {J} \\ & = \ text {4,7} \ times \ text {10} ^ {- \ text {19 }} \ text {J} \ end {align *}

\ begin {align *} \ lambda & = \ frac {hc} {\ Delta E} \\ & = \ frac {(\ text {6,63} \ times \ text {10} ^ {- \ text {34} } \ text {m $ ^ {2} $ кг · с $ ^ {- 1} $}) (\ text {3} \ times \ text {10} ^ {\ text {8}} \ text {м · с $ ^ {- 1} $})} {\ text {4,7} \ times \ text {10} ^ {- \ text {19}} \ text {J}} \\ & = \ text {423} \ text {nm} \ end {align *} Цвет света, излучаемого в \ (\ text {423} \) \ (\ text {nm} \), фиолетовый.

У меня есть стеклянная трубка, заполненная газообразным водородом. Я излучаю белый свет на трубку. Затем измеряемый спектр имеет линию поглощения на длине волны 474 нм. Между какими двумя энергетическими уровнями произошел переход? (Использование Рисунок 12.7 в решении проблемы.)

\ begin {align *} \ Delta E & = \ frac {hc} {\ lambda} \\ & = \ frac {(\ text {6,63} \ times \ text {10} ^ {- \ text {34} } \ text {m $ ^ {2} $ кг · с $ ^ {- 1} $}) (\ text {3} \ times \ text {10} ^ {\ text {8}} \ text {м · с $ ^ {- 1} $})} {\ text {474} \ times \ text {10} ^ {- \ text {9}} \ text {nm}} \\ & = \ text {4,20} \ times \ text {10} ^ {- \ text {19}} \ text {J} \ end {align *} Этот интервал энергии соответствует переходу с уровня энергии 4 на уровень энергии 2.

Похожие

Комментарии