§ 53. Поглощение и испускание света атомами. Оптические спектры

Определения и обозначения

Энергетический уровень атома — одно из разрешённых значений энергии атома. Атом не может обладать энергией между двумя соседними уровнями. Такие уровни нужны, чтобы описывать возможные состояния атома и переходы между ними.

Поглощение света атомом — переход атома на более высокий энергетический уровень при получении энергии от фотона. Фотон исчезает, а его энергия передаётся атому. Это понятие объясняет, почему вещество может ослаблять свет определённых частот.

Испускание света атомом — переход атома на более низкий энергетический уровень с излучением фотона. Избыточная энергия атома превращается в энергию этого фотона. Так возникают световые линии в спектре испускания.

Линейчатый спектр — набор отдельных спектральных линий, соответствующих свету определённых частот. Каждая линия связана не с отдельным уровнем, а с переходом между двумя уровнями. По набору линий можно распознавать химический элемент.

Как это устроено

Энергия атома принимает лишь определённые значения из-за законов микромира: электрон в атоме может находиться только в некоторых разрешённых состояниях. Каждому такому состоянию соответствует свой энергетический уровень. Поэтому электрон не может постепенно занимать любое промежуточное состояние, как шар, поднимающийся по наклонной плоскости.

Чтобы атом поглотил фотон, энергия фотона должна совпасть с разностью энергий двух уровней. Тогда фотон передаёт всю свою энергию атому, и электрон переходит с нижнего уровня на верхний. Если энергия фотона меньше или больше нужной разности, такой переход не происходит.

При возвращении атома с высокого уровня на низкий возникает фотон. Его энергия равна разности энергий начального и конечного уровней: Eф = Eв − Eн. Энергия не исчезает, а переходит от возбуждённого атома к испущенному кванту света.

Для фотона выполняется формула E = hν, где E — энергия, h — постоянная Планка, а ν — частота света. Поскольку разности энергий уровней имеют определённые значения, возможны только определённые частоты. Поэтому атом излучает и поглощает свет не непрерывно, а на отдельных частотах.

Каждый химический элемент имеет собственные энергетические уровни и, следовательно, собственный набор возможных переходов. Поэтому совпадение спектральных линий указывает на совпадение элементов. Сравнивая спектр неизвестного вещества со спектрами известных элементов, можно установить его состав.

Сравнение спектров и их происхождения

При работе с таблицей сначала определите, испускает вещество свет или поглощает его. Затем сравните вид линий и свяжите их с возможными переходами атомов. Для определения состава сопоставляют положение линий с известными спектрами элементов.

Разбор задач

Задача 1. При переходе атома разность энергий равна 3,0·10⁻¹⁹ Дж. Найдём частоту испущенного фотона. Используем постоянную Планка h = 6,63·10⁻³⁴ Дж·с.

1. Энергия фотона равна энергии перехода: E = 3,0·10⁻¹⁹ Дж.
2. Из E = hν выразим частоту: ν = E/h.
3. Подставим значения: ν ≈ 4,5·10¹⁴ Гц.

Ответ: частота фотона примерно равна 4,5·10¹⁴ Гц. Мы сначала связали энергию перехода с энергией фотона, а затем применили формулу Планка.

Задача 2. Атом испускает фотон частотой 6,0·10¹⁴ Гц. Определим длину волны в вакууме. Скорость света в вакууме c = 3,0·10⁸ м/с.

1. Используем связь скорости, длины волны и частоты: c = λν.
2. Выразим длину волны: λ = c/ν.
3. Получим λ = 3,0·10⁸ / 6,0·10¹⁴ = 5,0·10⁻⁷ м.

Ответ: длина волны равна 5,0·10⁻⁷ м, или 500 нм. Такая запись показывает, как частота связана с цветом излучения.

Задача 3. В спектре неизвестного газа обнаружены линии, совпадающие с линиями известного элемента. Нужно установить, что это означает. Сравнение проводят по положению всех характерных линий, а не по одной случайной полосе.

1. Фиксируем набор линий неизвестного газа.
2. Сопоставляем его с эталонными спектрами элементов.
3. Если характерные линии совпадают, считаем соответствующий элемент присутствующим в газе.

Ответ: газ содержит этот химический элемент или, если совпало несколько наборов, несколько элементов. Причина вывода — индивидуальность спектра каждого элемента. По интенсивности линий иногда судят и о количестве вещества, но основной вывод здесь касается его наличия.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что атом поглощает фотон любой энергии. Так думают, если забывают о дискретных уровнях; проверить себя можно сравнением энергии фотона с разностью уровней.

Ошибка 2. Путать поглощение и испускание. При поглощении энергия атома увеличивается, а при испускании уменьшается; полезно определить направление перехода до записи формулы.

Ошибка 3. Считать линию самим энергетическим уровнем. Линия появляется из-за перехода между двумя уровнями, поэтому для неё важна именно их разность.

Ошибка 4. Менять местами спектры испускания и поглощения. Яркие линии на тёмном фоне означают испускание, а тёмные линии на фоне сплошного спектра — поглощение.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны связь энергии фотона с частотой и связь частоты с длиной волны: E = hν и c = λν. Также важно знать, что свет распространяется и может взаимодействовать с веществом.

Эти сведения подготовят к изучению строения атома и квантовых переходов. Спектры применяют в спектральном анализе, чтобы определять химический состав звёзд, газов и лабораторных образцов.

Что запомнить

• Атом обладает определёнными разрешёнными энергетическими уровнями.
• Поглощение фотона переводит атом на более высокий уровень.
• Испускание фотона происходит при переходе атома на более низкий уровень.
• Энергия фотона равна разности энергий уровней.
• Переходам соответствуют определённые частоты света.
• Набор спектральных линий индивидуален для каждого химического элемента.