Поняття про квантової теорії будови атома. Атомні спектри

Одним з інструментів, який допоміг ” зазирнути” всередину невидимих , мікроскопічних атомів, послужила квантова теорія. У попередніх розділах ви вже познайомилися з багатьма поняттями, якими ця теорія оперує (ядро, електронне хмара, рівні, підрівні, орбіталі, електронна конфігурація, мінімум енергії і т.д.). Корисно ще раз повернутися до питання про те, як з’явилися ці поняття, які експериментальні факти змусили дослідників намалювати саме таку, а не іншу картину будови атома.

Для початку нам доведеться розібратися у властивостях хвиль. Звичайні хвилі (наприклад, хвилі на воді) і електромагнітні хвилі (наприклад, сонячне світло), мають деякі схожі властивості.

Уявімо пливе по океанських хвилях важке вантажне судно. У справжньому океані по водній поверхні рухається одночасно багато хвиль. Ми з вами розглянемо спрощений випадок: хай по морю біжить одна -єдина хвиля з однаковими відстанями між гребенями. Уявний досвід з океанськими хвилями, що показує зв’язок між довжиною (?), частотою (?) і енергією (Е) хвилі. Чим менше довжина хвилі (?), тим більше частота підйомів на гребінь (?) і енергія хвилі (E). Таким чином, енергія хвилі E = k?, де k – коефіцієнт пропорційності.

Коли гребінь хвилі прокочується під кораблем, важке судно піднімається вгору. Значить, хвиля здатна здійснювати роботу. Припустимо, морська хвиля у верхній частині рис. 2-10 достатньо полога, а морська хвиля в нижній частині малюнка – частіша, схожа на брижі. При цьому нехай висота хвиль в обох випадках буде однаковою, щоб однаковою була і висота підйому судна на хвилі. Тоді вийде, що нижня хвиля здійснює більше роботи: на її гребенях корабель піднімається в одиницю часу частіше.

Чим більше відстань між гребенями хвилі, тим менше число разів піднімається корабель в одиницю часу. Відстань між гребенями хвилі називається довжиною хвилі і позначається грецькою буквою ? (лямбда). Частота хвилі – це число підйомів судна на гребінь хвилі в одиницю часу, позначається буквою ? (ню).

Отже, піднімаючи корабель вгору, хвиля здійснює роботу. Значить, чим менше довжина хвилі (або чим більше частота), тим більшу енергію несе хвиля. Енергія хвилі Е пропорційна її частоті: Е = k?, де k – якась константа, яку можна визначити експериментально.

Світло, що випускається нагрітими тілами (наприклад, Сонцем), також являє собою хвильові коливання електричної та магнітної енергії. Чим більше частота такої електромагнітної хвилі, тим більшу енергію вона несе. Хвилі світла з різною енергією надають різний вплив на сітківку ока. Світлові хвилі високої частоти сприймаються нами як фіолетові. Якщо поступово зменшувати частоту (збільшувати довжину хвилі світла), то колір стає спочатку синім, потім блакитним, зеленим, жовтим, оранжевим і, нарешті, червоним. Червоне світло несе найменше енергії.

Сонячне світло виглядає білим тому, що в ньому змішані електромагнітні хвилі всіх частот. Якщо за допомогою скляної або кварцовою призми розкласти сонячне світло на складові його хвилі, то ми побачимо красиву веселку, звану сонячним спектром. Лівіше видимої області знаходиться невидима оку ультрафіолетова область спектра. Ще лівіше знаходяться дуже короткохвильові рентгенівські промені і зовсім короткохвильові космічні промені, які несуть так багато енергії, що небезпечні для живих організмів. До червоної області примикає невидима інфрачервона область спектру, потім слідують мікрохвильова і радіохвильова області. Ці хвилі несуть менше енергії, ніж видимий і ультрафіолетове світло.

Довжини хвиль вимірюються в метрах (радіохвилі), сантиметрах (мікрохвилі) і найчастіше в нанометрах (видима і ультрафіолетова області). Нанометр (нм) – мільярдна частина метра (1 нм = 10-9 м). Видима людині область спектра тягнеться приблизно від 400 до 800 нм (рис. 2-12).

Нагріті тіла випромінюють світло, тому що це дозволяє їм позбутися від надлишку енергії. Звичний нам денний світло випускається поверхнею Сонця, розігрітій до 6000 оС.

Якщо шматок заліза нагрівати на сильному вогні, він починає світитися спочатку темно – вишневим, а потім червоним світлом. Точно так само інші елементи в сильно розігрітому стані можуть випромінювати світло, який можна розкласти на складові його хвилі за допомогою спектрометра.

Такі спектри називаються спектрами випускання. Спектр випускання водню (рис. 2-13) виявився не суцільним, як у сонячного світла, а лінійчатим. Виявлене явище вимагало пояснення, яке довгий час не могли знайти.

Посилання на основну публікацію