Mistari ya mstari - labda hii ni mojawapo ya mada muhimu ambayo yanazingatiwa katika kozi ya daraja la 8 ya fizikia katika sehemu ya macho. Ni muhimu kwa sababu inaturuhusu kuelewa muundo wa atomiki, na pia kutumia maarifa haya kusoma Ulimwengu wetu. Hebu tuzingatie suala hili katika makala.
Dhana ya spectra ya sumakuumeme
Kwanza kabisa, hebu tueleze makala yatahusu nini. Kila mtu anajua kwamba mwanga wa jua tunaona ni mawimbi ya sumakuumeme. Wimbi lolote lina sifa ya vigezo viwili muhimu - urefu na mzunguko (wake wa tatu, sio chini ya mali muhimu ni amplitude, ambayo inaonyesha ukubwa wa mionzi).
Kwa upande wa mionzi ya sumakuumeme, vigezo vyote viwili vinahusiana katika mlingano ufuatao: λν=c, ambapo herufi za Kigiriki λ (lambda) na ν (nu) kwa kawaida huashiria urefu wa mawimbi na marudio yake, mtawalia, na c ni kasi ya mwanga. Kwa kuwa la mwisho ni thamani isiyobadilika ya utupu, urefu na marudio ya mawimbi ya sumakuumeme yanawiana kinyume na mengine.
Wigo wa sumakuumeme katika fizikia unakubaliwataja seti ya urefu tofauti wa mawimbi (frequencies) ambayo hutolewa na chanzo sambamba cha mionzi. Ikiwa dutu hii inafyonza, lakini haitoi mawimbi, basi mtu huzungumza juu ya wigo wa adsorption au ngozi.
Mwonekano wa sumakuumeme ni nini?
Kwa ujumla, kuna vigezo viwili vya uainishaji wao:
- Kwa masafa ya mionzi.
- Kulingana na mbinu ya usambazaji wa mzunguko.
Hatutazingatia kuzingatia aina ya 1 ya uainishaji katika makala haya. Hapa tutasema kwa ufupi tu kwamba kuna mawimbi ya sumakuumeme ya masafa ya juu, ambayo huitwa mionzi ya gamma (>1020 Hz) na X-ray (1018 -10 19 Hz). Wigo wa ultraviolet tayari ni masafa ya chini (1015-1017 Hz). Wigo unaoonekana au wa macho upo katika masafa ya 1014 Hz, ambayo yanalingana na seti ya urefu kutoka 400 µm hadi 700 µm (baadhi ya watu wanaweza kuona "pana" kidogo: kutoka 380 µm hadi 780 µm). Masafa ya chini yanalingana na wigo wa infrared au joto, pamoja na mawimbi ya redio, ambayo tayari yanaweza kuwa na urefu wa kilomita kadhaa.
Baadaye katika makala, tutaangalia kwa karibu aina ya 2 ya uainishaji, ambayo imebainishwa kwenye orodha iliyo hapo juu.
Mstari na mwonekano endelevu wa utoaji
Hakika dutu yoyote, ikiwa imepashwa, itatoa mawimbi ya sumakuumeme. Je, zitakuwa za masafa na urefu gani? Jibu la swali hili linategemea hali ya mkusanyo wa dutu inayochunguzwa.
Kioevu na yabisi hutoa, kama sheria, seti inayoendelea ya masafa, yaani, tofauti kati yao ni ndogo sana kwamba tunaweza kuzungumza juu ya wigo unaoendelea wa mionzi. Kwa upande mwingine, ikiwa gesi ya atomiki iliyo na shinikizo la chini inapokanzwa, itaanza "kuwaka", ikitoa urefu ulioainishwa madhubuti. Ikiwa mwisho hutengenezwa kwenye filamu ya picha, basi watakuwa mistari nyembamba, ambayo kila mmoja anajibika kwa mzunguko maalum (wavelength). Kwa hivyo, aina hii ya mionzi iliitwa wigo wa utoaji wa laini.
Kati ya mstari na kuendelea kuna aina ya kati ya masafa, ambayo kwa kawaida hutoa molekuli badala ya gesi ya atomiki. Aina hii ni mikanda iliyotengwa, ambayo kila moja, ikichunguzwa kwa kina, huwa na mistari nyembamba tofauti.
Wigo wa unyonyaji wa laini
Yote yaliyosemwa katika aya iliyotangulia yalirejelea mionzi ya mawimbi kwa mada. Lakini pia ina absorbency. Wacha tufanye jaribio la kawaida: hebu tuchukue gesi ya atomiki iliyoachiliwa baridi (kwa mfano, argon au neon) na turuhusu mwanga mweupe kutoka kwa taa ya incandescent upite ndani yake. Baada ya hayo, sisi kuchambua flux mwanga kupita kupitia gesi. Inatokea kwamba ikiwa flux hii imetengana katika mzunguko wa mtu binafsi (hii inaweza kufanyika kwa kutumia prism), basi bendi nyeusi zinaonekana kwenye wigo unaoendelea unaozingatiwa, ambao unaonyesha kuwa masafa haya yaliingizwa na gesi. Katika hali hii, mtu anazungumza kuhusu wigo wa unyonyaji wa mstari.
Katikati ya karne ya XIX. Mwanasayansi wa Ujerumani aitwaye GustavKirchhoff aligundua mali ya kuvutia sana: aliona kwamba maeneo ambayo mistari nyeusi inaonekana kwenye wigo unaoendelea yanahusiana hasa na mzunguko wa mionzi ya dutu fulani. Kwa sasa, kipengele hiki kinaitwa sheria ya Kirchhoff.
Mfululizo wa Balmer, Liman na Pashen
Tangu mwisho wa karne ya 19, wanafizikia duniani kote wametafuta kuelewa ni nini mwelekeo wa mionzi. Ilibainika kuwa kila atomi ya kipengele fulani cha kemikali chini ya hali yoyote inaonyesha utokaji hewa sawa, yaani, inatoa mawimbi ya sumakuumeme ya masafa mahususi pekee.
Utafiti wa kwanza wa kina wa suala hili ulifanywa na mwanafizikia wa Uswizi Balmer. Katika majaribio yake, alitumia gesi ya hidrojeni yenye joto la juu. Kwa kuwa atomi ya hidrojeni ni rahisi zaidi kati ya vipengele vyote vya kemikali vinavyojulikana, ni rahisi kujifunza vipengele vya wigo wa mionzi juu yake. Balmer alipata matokeo ya kushangaza, ambayo aliandika kama fomula ifuatayo:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
).
Hapa λ ni urefu wa wimbi lililotolewa, RH - thamani fulani isiyobadilika, ambayo kwa hidrojeni ni sawa na 1, 097107 m -1, n ni nambari kamili kuanzia 3, yaani 3, 4, 5 n.k.
Urefu wote λ, ambazo hupatikana kutoka kwa fomula hii, ziko ndani ya wigo wa macho unaoonekana kwa wanadamu. Mfululizo huu wa maadili ya λ kwa hidrojeni inaitwa wigoBalmer.
Baadaye, kwa kutumia vifaa vinavyofaa, mwanasayansi wa Marekani Theodore Liman aligundua wigo wa ultraviolet wa hidrojeni, ambao aliuelezea kwa fomula sawa na ya Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
).
Mwishowe, mwanafizikia mwingine Mjerumani, Friedrich Paschen, alipata fomula ya utoaji wa hidrojeni katika eneo la infrared:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
).
Hata hivyo, ni ukuzaji wa mekanika wa quantum pekee katika miaka ya 1920 ndio ungeweza kufafanua fomula hizi.
Rutherford, Bohr na muundo wa atomiki
Katika muongo wa kwanza wa karne ya 20, Ernest Rutherford (Mwanafizikia Mwingereza mwenye asili ya New Zealand) alifanya majaribio mengi ya kuchunguza mionzi ya elementi mbalimbali za kemikali. Shukrani kwa masomo haya, mfano wa kwanza wa atomi ulizaliwa. Rutherford aliamini kwamba "nafaka" hii ya maada ina kiini chanya cha umeme na elektroni hasi zinazozunguka katika obiti zake. Nguvu za Coulomb zinaeleza kwa nini atomi "haitengani", na nguvu za katikati zinazofanya kazi kwenye elektroni ndizo zinazofanya atomu isianguke kwenye kiini.
Kila kitu kinaonekana kuwa na mantiki katika muundo huu, isipokuwa moja lakini. Ukweli ni kwamba wakati wa kusonga kando ya trajectory ya curvilinear, chembe yoyote ya kushtakiwa lazima iangaze mawimbi ya umeme. Lakini katika kesi ya atomi imara, athari hii haizingatiwi. Halafu inageuka kuwa mtindo wenyewe sio sawa?
Marekebisho yanayohitajika yalifanywa kwayomwanafizikia mwingine ni Dane Niels Bohr. Marekebisho haya sasa yanajulikana kama machapisho yake. Bohr alianzisha mapendekezo mawili katika mtindo wa Rutherford:
- elektroni husogea katika mizunguko iliyosimama katika atomi, ilhali hazitoi au kunyonya fotoni;
- mchakato wa mionzi (kufyonzwa) hutokea tu wakati elektroni inapohama kutoka obiti moja hadi nyingine.
Mizunguko ya Bohr isiyosimama ni ipi, tutazingatia katika aya inayofuata.
Ukadiriaji wa viwango vya nishati
Mizunguko iliyosimama ya elektroni katika atomi, ambayo Bohr alizungumzia kwa mara ya kwanza, ni hali thabiti za quantum za mawimbi haya ya chembe. Majimbo haya yana sifa ya nishati fulani. mwisho ina maana kwamba elektroni katika atomi ni katika baadhi ya nishati "vizuri". Anaweza kuingia kwenye "shimo" lingine ikiwa atapokea nishati ya ziada kutoka nje kwa njia ya fotoni.
Katika mstari wa unyonyaji na utoaji wa hewa ya hidrojeni, fomula ambazo zimetolewa hapo juu, unaweza kuona kwamba neno la kwanza kwenye mabano ni nambari ya fomu 1/m2, ambapo m=1, 2, 3.. ni nambari kamili. Inaonyesha idadi ya obiti isiyosimama ambayo elektroni hupita kutoka kiwango cha juu cha nishati n.
Je, wanasomaje mwonekano katika safu inayoonekana?
Tayari imesemwa hapo juu kuwa prism za glasi hutumika kwa hili. Hii ilifanyika kwa mara ya kwanza na Isaac Newton mwaka wa 1666, alipotenganisha nuru inayoonekana kuwa seti ya rangi za upinde wa mvua. Sababu yaambayo athari hii inazingatiwa iko katika utegemezi wa index ya refractive kwenye urefu wa wimbi. Kwa mfano, mwanga wa buluu (mawimbi mafupi) umekataliwa kwa nguvu zaidi kuliko taa nyekundu (mawimbi marefu).
Kumbuka kwamba katika hali ya jumla, wakati boriti ya mawimbi ya sumakuumeme inaposonga katika nyenzo yoyote ya kati, vijenzi vya masafa ya juu vya boriti hii kila mara hukataliwa na kutawanywa kwa nguvu zaidi kuliko zile za masafa ya chini. Mfano mkuu ni rangi ya samawati ya anga.
Michoro ya lenzi na wigo unaoonekana
Unapofanya kazi na lenzi, mwanga wa jua hutumiwa mara nyingi. Kwa kuwa ni wigo unaoendelea, wakati wa kupitia lens, masafa yake yanapigwa tofauti. Matokeo yake, kifaa cha macho hakiwezi kukusanya mwanga wote kwa wakati mmoja, na vivuli vya iridescent vinaonekana. Athari hii inajulikana kama upotoshaji wa kromatiki.
Tatizo lililobainishwa la macho ya lenzi hutatuliwa kwa kiasi kwa kutumia mchanganyiko wa miwani ya macho katika ala zinazofaa (darubini, darubini).
