Dużym postępem w zrozumieniu budowy atomu było odkrycie liniowego widma promieniowania gazów. Okazało się, że świecące gazy emitują tylko niektóre długości fali promieniowania. Jeżeli światło wysyłane przez gaz skierujemy na szczelinę spektroskopu, to powstający obraz będzie nie widmem ciągłym, ale lecz liniami o różnych barwach (prawie monochromatycznych). Linie te są obrazem szczeliny, jednak to oznacza, że świecące gazy wysyłają promieniowanie nieciągłe, a zatem inne niż emitowane przez ciała stałe świecące w wyniku ich rozgrzania, których widmo składało się z fal o pełnym zakresie długości. A jak wygląda widmo nieciągłe? Dowiesz się tego z dzisiejszej lekcji.

Podstawową metodą badania właściwości odległych obiektów astronomicznych, a nawet Słońca, jest badanie widm, czyli spektrometria
Już wiesz
  • podać zakres długości fal charakterystycznych dla światła widzialnego;

  • podać definicję promieniowania termicznego (cieplnego);

  • podać definicję ciała doskonale czarnego;

  • stwierdzić, że widmo promieniowania ciała doskonale czarnego ma charakter ciągły;

  • uzasadnić, dlaczego barwa świecącego ciała zależy od temperatury.

Nauczysz się
  • odróżniać widmo liniowe od ciągłego;

  • że źródłem widma liniowego są atomy swobodne w gazach;

  • że widmo emisyjne emitowane jest przez gorący gaz, a widmo absorpcyjne – przez chłodny gaz pochłaniający promieniowanie elektromagnetyczne (np. światło) o widmie ciagłym, które to promieniowanie przechodzi przez ten gaz.

1. Emisja energii

Za pomocą spektroskopu badano promieniowanie wysyłane przez sód i rtęć w stanie gazowym oraz przez inne gazy, takie jak wodór czy neon. Na podstawie wyników tych badań stwierdzono, że widmo tego promieniowania jest nieciągłe, tzn. występują w nim tylko niektóre długości fali. Takie widmo nazywamy widmem liniowym (dyskretnym lub nieciągłym). Warto wspomnieć, że istotną rolę w badaniach nad tym zjawiskiemodegrali fizycy Gustav KirchhoffRobert Bunsen.

Widmo niektórych gazów

Okazało się, że każdy pierwiastek ma inne widmo liniowe, które pozwala na jednoznaczną identyfikację danego pierwiastka. Badanie widma Słońca pokazało, że występują tam linie pierwiastka nieznanego na Ziemi. Nazwano go helium, czyli „słoneczny”. Późniejsze badania różnych gazów wykazały, że jest to gaz występujący również na Ziemi. Jednak w II połowie XIX wieku kłopoty sprawiało wyjaśnienie zarówno rozkładu energii w widmie ciała stałego (była o tym mowa w poprzednim rozdziale), jak i powstawania liniowego widma pierwiastków w stanie gazowym. Wyniki eksperymentalne były nie do pogodzenia z ówczesnym stanem wiedzy.

Widmo atomu wodoru
Lp. Długość fali
λ[nm]
Barwa
1 410,17 fioletowa
2 434,05 fioletowa
3 486,13 niebieska
4 656,27 czerwona

Fizycy często poszukują zależności matematycznych pomiędzy wielkościami wyznaczonymi doświadczalnie. Jedną z nich wykrył matematyk Jan Jakub Balmer ze Szwajcarii – udało mu sie to zrobić na podstawie analizy wyników uzyskanych przez fizyków wykonujących doświadczenia.

Balmerowi udało się opracować wzór wiążący ze sobą poszczególne długości linii widmowych wodoru:

λ=bn2n2-22

dla: n=3,4,5,6; b=364,6 nm .

Polecenie 1

Sprawdź, dla jakiego n we wzorze Balmera otrzymujemy długości fali poszczególnych linii podanych w tabeli powyżej.

2. Widmo absorpcyjne

Na początku XIX wieku zaobserwowano w widmie światła słonecznego obecność ciemnych linii. Od 1814 r. niemiecki fizyk J. Fraunhofer zaczął systematycznie badać widmo Słońca. Wyznaczał przede wszystkim długości fali odpowiadających ciemnym liniom. Doszedł do wniosku, że w widmie Słońca znajduje się ich ponad 500. Późniejsze badania Kirchhoffa i Bunsena dowiodły, że długości fali dla niektórych linii są dokładnie równe długościom 4 linii wodoru (patrz: tabela powyżej) wyznaczonych z analizy widma emisyjnego.

Linie Fraunhofera. C, F – linie absorpcyjne wodoru; D1, D2 – linie sodu; H, K – linie wapnia zjonizowanego (pozbawionego jednego elektronu); E – jedna z linii żelaza (jest ich bardzo dużo); A i B – linie otrzymane w wyniku absorpcji światła przez cząsteczki tlenu znajdujące się w atmosferze ziemskiej

Ciemne linie absorpcyjne oznaczają, że energia fal o tych długościach jest pochłaniana. Promieniowanie wychodzące z wnętrza Słońca przechodzi przez chłodniejsze warstwy atmosfery słonecznej i jest pochłaniane przez znajdujące się tam atomy. Badania doprowadziły do wniosku, że w atmosferze Słońca znajdują się atomy wodoru, żelaza, sodu, wapnia i dziesiątków innych pierwiastków.

Badanie widm absorpcyjnych jest podstawową i jedyną metodą badania gwiazd – nie możemy przecież polecieć tak daleko. Zdecydowana większość widm gwiazdowych to widma absorpcyjne – wynika to z faktu, że gaz znajdujący się blisko powierzchni gwiazdy jest chłodniejszy niż wnętrze samej gwiazdy i pochłania promieniowanie emitowane z jej środka. Poniższy rysunek przedstawia kilkanaście typów widm gwiazdowych.

Widmo Słońca jest widmem typu G

Najwyższą temperaturę na powierzchni mają gwiazdy typu B – sięga ona 25 000 K. Widma typu G (widoczne na powyższym rysunku) są charakterystyczne dla gwiazd chłodniejszych. Do tego typu zalicza się nasze Słońce, które ma temperaturę powierzchniową ok. 6000 K. Gwiazdy typu M5 osiągają temperaturę ok. 3000 K. Istnieją również gwiazdy o temperaturze zarówno powyżej 25 000 K, jak i poniżej 3000 K.

Na przykładowym zestawie widać, że położenie linii absorpcyjnych jest stałe, ale nie wszystkie z nich są jednakowo dobrze widoczne. Powodem jest przede wszystkim temperatura powierzchni gwiazdy, które wpływa na stan atomów i ich prędkość. W wysokich temperaturach atomy są zjonizowane i ich widmo jest inne, niż gdyby znajdowały się one w stanie neutralnym. Ważne są również czynniki takie jak gęstość gwiazdy oraz skład chemiczny, jednak – wbrew pozorom – nie jest on najistotniejszy. Astronomowie twierdzą bowiem, że jeżeli w widmie są widoczne linie jakiegoś pierwiastka, to na pewno znajduje się on w atmosferze gwiazdy. Natomiast jeżeli jakiś pierwiastek się tam znajduje, to w wypadku wystąpienia pewnych niekorzystnych okoliczności możemy nie zobaczyć jego linii.

W dalszych częściach podręcznika wrócimy jeszcze do tych zagadnień, jednak jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, musisz poczekać do rozpoczęcia studiów wyższych na jednym z odpowiednich kierunków ścisłych.

Podsumowanie

  • Widmo, które składa się z oddzielnych linii widmowych, nazywamy widmem liniowym.

  • Wszystkie pierwiastki w stanie gazowym mają charakterystyczne widmo liniowe.

  • Widmo liniowe jest typowe dla gazów składających się z atomów lub cząsteczek. Przykładem mogą być gazy takie jak wodór, hel, neon, argon, opary rtęci lub sodu.

  • Odkrycie linii widmowych wodoru oraz innych pierwiastków przyczyniło się do zrozumienia budowy atomu.

  • Gorące gazy wysyłają promieniowanie liniowe emisyjne. Jeżeli jednak promieniowanie mające widmo ciągłe przechodzi przez obszar zawierający chłodny gaz, to następuje absorpcja energii fal dokładnie o tych długościach, które dany atom może emitować.

Praca domowa
Polecenie 2.1

Poszukaj w internecie odpowiednich informacji i opisz budowę spektroskopu pryzmatycznego.

Słowniczek

analiza widmowa

– metoda badania składu substancji na podstawie analizy długości fal widma emitowanego przez tę substancję. Analiza widm pozwala na wyznaczanie temperatury gwiazdy, jej składu chemicznego, gęstości gazu w jej atmosferze, a nawet prędkości wirowania gwiazdy wokół własnej osi.

spektroskop

– przyrząd służący do rozkładu promieniowania widzialnego na poszczególne barwy składowe (widmo) według długości fali. Pozwala na wyznaczyć długość fali danego promieniowania.

Biogramy

Szwajcarski fizyk i matematyk

Jan Jakub Balmer

Zajmował się głównie geometrią. Opracował wzór opisujący linie widmowe wodoru.

Niemiecki fizyk i chemik

Robert Wilhelm Bunsen

Robert Bunsen wspólnie z Gustawem Kirchhoffem prowadził badania w dziedzinie spektroskopii. Jest też wynalazcą palnika (1850), który do dziś jest stosowany w szkolnych pracowniach chemicznych (fizycznych), a nawet w budownictwie.

Joseph von Fraunhofer – odkrywca linii absorpcyjnych w widmie Słońca

Joseph von Fraunhofer

Największe odkrycia Josepha von Fraunhofera dotyczą optyki i astronomii. Jego wynalazkami są: siatka dyfrakcyjna, spektroskop pryzmatyczny i heliometr. Fraunhofer, niezależnie od A. Fresnela, opisał zjawisko dyfrakcji i zaobserwował linie absorpcyjne w widmie Słońca.

Odkrywca prawa promieniowania ciała doskonale czarnego i metody analizy widmowej

Gustaw Robert Kirchhoff

Niemiecki fizyk, w latach 1850–54 profesor uniwersytetu we Wrocławiu. Znany jest przede wszystkim z prac nad teorią obwodów elektrycznych i temperaturowym promieniowaniem ciał. Skonstruował spektroskop (razem z R. W. Bunsenem), badał linie widmowe pierwiastków. Zastosował spektroskopię do badania atmosfery słonecznej i widma jaśniejszych gwiazd stałych.

Zadanie podsumowujące moduł

Ćwiczenie 1