Warto przeczytać

Gdy światło białe, które przeszło przez szczelinę, rozszczepimy w pryzmacie, otrzymamy widmo ciągłe – wszystkie barwy światła widzialnego, przechodzące płynnie jeden w drugi (Rys. 1. a). W pryzmacie promienie świetlne zostały odchylone, dla każdej długości fali pod nieco innym kątem. Dlatego na ekranie pojawiają się różne barwy: od fioletowej o najmniejszej długości fali do czerwonej, której długość fali jest największa. Jeśli na drodze światła białego znajdzie się chłodny gaz, na tle widma ciągłego pojawią się ciemne linie (Rys. 1. b). Jakie jest pochodzenie tych linii? Skoro w miejscach, odpowiadającym określonym długościom fali, na ekranie są ciemne miejsca, znaczy to, że światło o tych właśnie długościach fali nie dotarło do ekranu. Zostało zaabsorbowane, czyli pochłonięte przez chłodny gaz. Widmo na Rys. 1. b nazywamy widmem absorpcyjnym.

RY83zXxB7nY3w

Rys. 1. a) przedstawia schemat przejścia światła białego przez pryzmat. Z lewej strony, ze źródła światła (mały żółty okrąg) emitowane są promienie (dwie niebieskie proste) i przechodzą przez szczelinę (prostokąt z małym pionowym odcinkiem w środku), następnie przechodzą przez pryzmat (trójkąt równoramienny w centrum), a po wyjściu dają widmo ciągłe (barwny poziomy pasek - od niebieskiej barwy z lewej, po czerwoną - z prawej strony). Rys. 1. b) przedstawia schemat przejścia światła białego przez chłodny gaz a następnie przez pryzmat. Z lewej strony, ze źródła światła (mały żółty okrąg) emitowane są promienie (dwie niebieskie proste), które przechodzą przez chłodny gaz (większy nieco okrąg) i następnie przechodzą przez szczelinę (prostokąt z małym pionowym odcinkiem w środku), następnie przechodzą przez pryzmat (trójkąt równoramienny w centrum), a po wyjściu dają widmo absorpcyjne (na tle barwnego poziomego paska widnieją wąskie czarne pionowe linie).

Położenie ciemnych linii w widmie absorpcyjnym niesie wiele informacji o atomach, które zaabsorbowały światło. Analizując widmo absorpcyjne, możemy określić, jakie atomy zawiera gaz, znajdujący się na drodze promieniowania. Aby zrozumieć, jak powstaje widmo absorpcyjne, trzeba poznać budowę atomu.

Atom składa się z jądra atomowego, które otaczają elektrony. Elektrony są uwięzione w atomie za sprawą odziaływania elektrycznego między dodatnimi ładunkami jądra i ujemnymi ładunkami elektronów. Energie elektronów w atomie mogą przybierać tylko pewne, określone wartości – elektron może znajdować się tylko na dozwolonych poziomach energetycznych. Mówimy, że energia elektronów w atomie jest skwantowana. Poziomy energetyczne w atomie przedstawia Rys. 2. Energia elektronu w atomie nie może zmieniać się w sposób ciągły. Elektron przeskakuje z jednego poziomu energetycznego na inny, a jego energia zmienia się skokowo. Atom jest w stanie stabilnym tylko wtedy, gdy ma najmniejszą możliwą energię (na Rys. 2. oznaczoną jako $E_{1}$). Taki stan atomu nazywamy stanem podstawowym. Gdy elektron w atomie przeskoczy na wyższy poziom energetyczny (na Rys. 2. oznaczone jako $E_{2}$, $E_{3}$ itd.) atom znajdzie się w stanie wzbudzonym. Atom w stanie wzbudzonym znajduje się niedługo. Po około 10Indeks górny -8^-8 s elektron przeskakuje do stanu podstawowego lub na niższy poziom wzbudzony, pozbywając się nadmiaru energii przez emisję fotonu.

R1ZFLguVNUJGc

Rys. 2. stanowi schemat dozwolonych poziomów energetycznych w atomie wodoru. Po lewej stronie znajduje się pionowa oś zwrócona w górę, oznaczona: E. w części środkowej widoczne linie poziome coraz bardziej zagęszczające się ku górze. Dwie z nich na samej górze są narysowane linią przerywaną. Z prawej strony są oznaczenia, od dołu: E1, E2, E3.

Elektron może znaleźć się na wyższym poziomie energetycznym, pochłaniając foton promieniowania elektromagnetycznego o odpowiedniej energii, równej dokładnie różnicy między poziomem końcowym i początkowym (Rys. 3.). Elektron przechodzi na wyższy poziom energetyczny skokowo. Trochę trudno nam pojąć, jak to się dzieje, ponieważ w świecie makroskopowym nie obserwujemy takich efektów, jak skwantowanie energii. Obraz mikroświata wydaje nam się egzotyczny, ale musimy uwierzyć, że jest prawdziwy, bo jest potwierdzony doświadczalnie.

R1R7Zy2XOqpHn

Rys. 3. przedstawia schemat przeskoku elektronu między poziomami. Pionowa oś energii jest usytuowana z lewej strony i zwrócona w górę. Dwa poziomy to dwa czarne odcinki z oznaczeniami: E indeks dolny k i E indeks dolny n połączone czerwoną pionową strzałką zwróconą w górę. Obok strzałki widnieje symbol impulsu falowego poruszającego się w lewo, z podpisem: pochłonięcie fotonu o energii E indeks dolny f równa się E indeks dolny n minus E indeks dolny k.

Gdy atom w stanie podstawowym zaabsorbuje foton, przechodząc do stanu wzbudzonego, spełniona jest zasada zachowania energii, wyrażona wzorem:

gdzie $E_{f}$ jest energią fotonu pochłoniętego przez atom, $E_{n}$ – energią stanu wzbudzonego, $E_{1}$ – energią stanu podstawowego.

A jeśli energia fotonu, padającego na atom, nie jest równa różnicy między poziomami energetycznymi atomu? Dla takiego fotonu atom jest przezroczysty. Nie może być pochłonięty, bo nie istnieje taki stan energetyczny atomu, który byłby stanem końcowym. Dozwolone energie elektronów w atomie wyznaczają więc energie fotonów, które mogą być pochłonięte. Gdy światło białe przechodzi przez gaz o budowie atomowej, większość fotonów przechodzi przez gaz bez zakłóceń, a pochłonięte są tylko te, które mają energie równe różnicy między poziomami energetycznymi atomów.

Długość fali promieniowania związana jest z energią $E_{f}$ fotonu wzorem:

gdzie $\lambda$ jest długością fali, $c=3·{10}^8\frac{m}{s}$ – prędkością światła, $h$ - stałą Plancka, $h=6,63·{10}^{-34}J·s$ lub $4,14·{10}^{-15}$eVelektronowolt (eV)eV·s.

Energiom fotonów, które mogą być pochłonięte przez atom odpowiadają konkretne długości fal promieniowania. Układ ciemnych linii w widmie absorpcyjnym jest charakterystyczny dla każdego pierwiastka. Można powiedzieć, że widmo absorpcyjne jest „kodem kreskowym” atomu. Wykorzystuje się ten fakt w analizie spektroskopowej, służącej do badania składu chemicznego substancji. Badaną próbkę przeprowadza się w stan pary, aby uwolnić atomy. Następnie przez pary substancji przepuszcza się światło białe. Atomy zawarte w parze absorbują promieniowanie o charakterystycznej długości fali. Porównując otrzymane widma absorpcyjne ze znanymi widmami różnych pierwiastków, możemy określić skład chemiczny badanej próbki.

Już 200 lat temu roku niemiecki fizyk Fraunhofer odkrył linie absorpcyjne w widmie światła słonecznego (Rys. 4.). Od jego nazwiska nazywamy je liniami Fraunhofera. Podczas analizy linii Fraunhofera odkryto gaz szlachetny – hel, wcześniej niż stwierdzono jego obecność w atmosferze ziemskiej.

Historię odkrycia linii Fraunhofera poznasz z audiobooka.

R1OaR7Y5znuwt

Rys. 4. przedstawia Linie Fraunhofera. Na tle widma ciągłego (barwny pasek poziomy - od barwy niebieskiej z lewej do barwy czerwonej - z prawej strony) widoczne wąskie pionowe linie. Na dole umieszczono oś wyskalowaną od ok. 4000 do ok. 7000. Na górze linie absorpcyjne oznaczone są wielkimi literami, od lewej: K, H, G, F, E, D, C, B, A. Z lewej strony barwnego prostokąta widnieje mała strzałka skierowana w lewo oznaczająca kolejne zakresy widma fal elektromagnetycznych: ULTRA VIOLET, X‑RAYS, GAMMA RAYS. Z prawej strony barwnego prostokąta widnieje mała strzałka skierowana w prawo oznaczająca kolejne zakresy widma fal elektromagnetycznych: INFRA RED, RADIO SPECTRUM.

Słowniczek