Transcript Изтегли

Атоми. Атомни
преходи
Спектър на водородния атом.
Атомен модел на Ръдърфорд
 Атомен модел на Бор
 Лазери. Условия за лазерно лъчение
Спектър на водородния атом
Още в средата на ХІХ в. става известно, че атомите на
всеки химичен елемент имат свой, характерен само за
тях линеен спектър. Това откритие способствало за
създаването на спектралния анализ като важен
практически метод за изучаване състава и състоянието
на веществата чрез изследване на техните спектри на
излъчване и поглъщане. Първите закономерности са
установени в спектъра на най-лекия елемент –
водорода. Неговият атом е най-просто устроен – състои
се само от един протон и един електрон.
Положителният заряд на ядрото на водорода
(протонът) е равен по големина на заряда на електрона
(Z=1). Масата на протона е 1836 пъти по-голяма от
масата на електрона. Това обуславя относителната
простота на спектъра на водорода.
С добър спектрограф във видимата област на водородния
спектър могат да се видят четири линии: червена, зелена,
синя и виолетова. Голям успех в изучаване на този спектър е
постигнал швейцарският учител по физика Йохан Балмер
през 1876 г. Той установил, че известните по онова време
четири линии във видимата част на спектъра могат да се
групират в серия, като честотите им се получават по
формулата:
1 
 1
  R . 2  2 
m 
2
364 410 486
656 nm
Линии на водорода във видимата част на
спектъра
където: m = 3, 4, 5 и 6;
R = 3,290.1015 Hz е опитно определена константа,
наречена константа на Ридберг.
Впоследствие в спектъра на водорода са открити още 25
линии, съответстващи на стойности на m = 7, 8,...32. Всички те
принадлежат на тази серия на Балмер.
Групи от спектрални линии в атомните спектри,
честотата на които се подчинява на общи
закономерности, се наричат спектрални серии.
По късно в спектъра на водорода са открити и други спектрални
серии от линии, чиито честоти, както при Балмеровата серия, се
получават по формулата:
(1)
1 
 1
  R . 2  2 
m 
n
където n и m са цели положителни числа и m = n+1; n+2; n+3 и т.н.
Линиите от дадена серия се получават при фиксирана стойност на
n (за Балмеровата серия n = 2).
Обикновено сериите носят имената на тези, които са ги
наблюдавали за пръв път.
С тази формула се пресмятат честотите на електромагнитните
вълни, излъчвани от водородния атом в диапазона както на
видимата светлина, така и в инфрачервената и ултравиолетовата
област на електромагнитния спектър.
Например:
При n = 1; m = 2, 3, 4, … спектрална серия на Лайман
(в ултравиолетовата област);
При n = 3; m = 4, 5, 6, … спектрална серия на Пашен
(в инфрачервената област);
При n = 4; m = 5, 6, 7, … спектрална серия на Брякет
(в инфрачервената област).
Задача:
Изчислете честотата на
светлинната вълна от
серията на Балмер, която
водородният атом излъчва
при m = 4.
Решение:
За серията на Балмер n = 2. Тогава:
 1
  R .
2
2

1 
1 
15  1
15
  3 , 290 . 10 .  2   3 , 290 . 10 . 0 , 25  0 , 0625
2
m 
4 4 
 3 , 290 . 10 . 0 ,1875  3 , 290 . 10 . 1,875 . 10
15
15
1
 6 ,17 . 10
14
Hz
начало

Атомен модел на Ръдърфорд
Макар, че с помощта на
формулите могат да се
пресметнат честотите на всички
линии във водородния спектър,
те не разкриват физическата
същност на процесите в атома.
Загадката на линейните спектри
остава неизяснена. Възниква
необходимостта от създаване на
модел на атома, който да обясни
закономерностите на
спектралните линии и причините
за тяхната поява.
В началото на ХХ век английският
физик Ърнест Ръдърфорд
създава модел на атома,
известен като планетарен
(ядрен) модел.
Ърнест Ръдърфорд (1871–1937)
английски физик, лауреат на
Нобелова награда за химия
(1908 г.)
 Според този модел почти
цялата маса на атома е
съсредоточена в малко,
намиращо се в центъра му
атомно ядро с положителен
заряд, около което обикалят
отрицателните електрони.
Ядрото привлича
електроните с електрични
сили, под действието на
които те непрекъснато
обикалят около него,
подобно на планетите около
Слънцето.
Недостатъци на атомния модел на
Ръдърфорд:
 Моделът не обяснява стабилността на атомите.
Според законите на класическата физика, ако
електроните наистина обикалят около ядрото на
атома, те би трябвало непрекъснато да излъчват
електромагнитни вълни и следователно
енергията им непрекъснато ще намалява. В
резултат ще намалява и радиусът на тяхната
орбита, т.е. електроните биха се движили около
ядрото не по окръжност, а по спирала, докато
накрая паднат върху него. При това положение,
според модела на Ръдърфорд, атомът би
трябвало да бъде нестабилен, което противоречи
на фактическата стабилност на атомите.
 При такова движение на електроните
те би трябвало да излъчват вълни с
произволни честоти и спектърът на
тяхното излъчване трябва да е
непрекъснат, какъвто е този на
звездите. Знаем обаче, че атомните
спектри са линейни – те съдържат
отделни линии само с някои, и то точно
определени честоти на вълната.
Модел на Бор за водородния
атом
Датският учен Нилс Хендрик
Бор пръв измежду физиците
изказал хипотезата, че поведението
на електрона се различава от
поведението на големите тела; че
за атомите, наред със законите на
класическата физика, са валидни и
нови закони.
През 1913 г. Нилс Бор предлага
нова теория за строежа и
свойствата на атома. Нейна основа
е планетарният модел на
Ръдърфорд, но допълнен с идеята
на Планк и Айнщайн за
излъчването и поглъщането на
Нилс Бор (1885–1962)–датски физик,
светлината на отделни порции
един от създателите на съвременната
(кванти).
физика, лауреат на Нобелова награда за
физика (1922 г.)
Постулати на Бор:
Това е първият квантов модел на атома, който
поставя началото на нова ера в атомната теория.
Бор допуснал, че вътрешната енергия на атомите
също се квантува – може да заема само
определени стойности.
Такива състояния на атома, в които неговата
енергия има определени, неизменящи се във
времето стойности, се наричат стационарни.
За да обясни устойчивостта на атомите и
наблюдаваните линейни спектри, той допуска
съществуването на нови закони за движение на
електроните около ядрото. Тези закони са
известни като постулати на Бор.
Първи постулат на Бор:
Електроните се
движат в атома само
по определени орбити,
наречени стационарни
орбити.
Това движение се извършва под
действие на електричната сила F, с
която протонът привлича
електрона. Движението на
електрона е подобно на движението
на планетите около Слънцето.
Енергията на една стационарна
орбита се нарича енергетично
ниво на електрона. Тя е сума от
кинетичната енергия на
електрона и потенциалната
енергия на взаимодействието му
с протона. Често Еn се нарича
енергия на атома, а самите
състояния на атома, в които
електронът обикаля по някоя от
стационарните орбити –
стационарни състояния.
Втори постулат на Бор:
При своето движение по дадена
стационарна орбита около
ядрото електроните не
излъчват електромагнитни
вълни.
Трети постулат на Бор:
При преход между две
стационарни състояния Em
и Еn се поглъща или излъчва
електромагнитна вълна
чрез цели кванти енергия.
Тя е равна на разликата
между енергиите на
съответните стационарни
състояния:
E  h  En  Em
h = 6,63.10-34 J.s – константа на Планк;
 - честота на излъчваната вълна
При преход от орбита, върху
която енергията на електрона
е по-голяма, на орбита, върху
която енергията му е помалка се излъчва фотон
(квант); при преход от орбита
с по-малка на орбита с поголяма енергия – обратно,
поглъща се фотон.
Обяснение на водородния спектър:
Атомът на водорода се състои от положително заредено ядро (протон),
около което обикаля един електрон. Той може да се движи само по
стационарни орбити.
Всяка стационарна орбита се характеризира с квантово число n, което
заема цели положителни стойности: n = 1, 2,3, … Най-близката до ядрото
орбита притежава квантово число n = 1. С увеличаване на квантовото
число радиусът на орбитите расте. Според теорията на Бор енергията на
електрона расте с увеличаване на радиуса на орбитата.
Атомът излъчва светлина, когато електронът извършва преход от
стационарна орбита с по-голям радиус към орбита с по-малък радиус.
Честотата на излъчената светлина, според формулата на Макс Планк,
удовлетворява равенството:
E  h  En  Em
Обратно, атомът може да погълне светлина, ако енергията, която тя му
предава, е достатъчна, за да се осъществи преход на електрона от орбита
с по-малък на орбита с по-голям радиус.
Бор получил формула за честотата на излъчената или погълната
светлина, подобна на формулите, описващи спектралните серии на
водородния атом:
1 
 1
  R . 2  2 
n
m 
Линеен спектър на водорода
Серия на Балмер - Vis
 
En  Em
Серия на Пашен - IRed
h
1 
 1
  R 2  2 
m 
n
Серия на Брякет - IRed

n 1
n2
n3
Серия на Лайман - УВ
n4
Серия на Пфунд - IRed
n5
n6
Значение на теорията на Бор
Предложената от Нилс Бор теория на атома притежава
някои недостатъци:
Тя не била последователна теория, а смес от нови
постулати и стари методи.
В нея се съдържат някои противоречия. Така например,
според нея електронът се движи по орбити съгласно с
представите на класическата механика, но не излъчва
енергия, както е според електромагнитната теория.
Теорията на Бор не е приложима за атоми с повече от
един електрон.
Въпреки това тази теория е изиграла огромна роля в
историята на физиката, обогатявайки я с идеята за нова
теория за атома. Тази теория била създадена десетина
години по-късно и е известна като квантова механика.
Лазери
1. Енергетични състояния на
атома и атомни преходи:
Атомът може да се намира само в строго определени
енергетични нива (стационарни състояния). Най-ниското ниво,
съответстващо на минималната възможна енергия, се нарича
основно ниво. В основно състояние атомът може да се намира
неограничено дълго време.
Всички нива, различни от основното, се наричат възбудени,
защото за да се приведе атомът в тези състояния, трябва да му
се предаде енергия отвън. Във възбудено състояние атомът
може да бъде ограничено време. Средната продължителност
на съществуването на атома във възбудено състояние се
нарича време на живот ( ). За водородния атом  ≈ 10-8 s.
За преход на атома във възбудено състояние е необходима
енергия, която може да е от различни източници: топлинно
движение, химическа енергия, механични удари с други атоми
или с електрони, фотони електромагнитна енергия и др.
Атом в основно състояние може само да поглъща фотони
(енергия); атом във възбудено състояние може да поглъща и
да изпуска фотони.
2. Спонтанни и стимулирани
преходи:
Обикновено атомите престояват
във възбудено състояние много
кратко време ( ≈ 10-8 s), след
което, по правило,
самопроизволно преминават в
основно състояние, излъчвайки
фотони енергия. Лъчението,
което възниква при този преход,
се нарича спонтанно. Тъй като
електроните в различните атоми
извършват спонтанните преходи
независимо един от
друг(несъгласувано), това
излъчване е некохерентно.
Такова е излъчването на
Слънцето, ел.
лампи и другиh =E2 – E1
те познати
източници
на светлина.
През 1916 г. Айнщайн посочва
и друга възможност за преход
от възбудено състояние – под
действието на външни
фактори. Такива преходи и
възникващото при тях
лъчение се наричат
стимулирани (принудени).
Стимулираното лъчение може
да се предизвика от друг
фотон, преминаващ, когато
атомът е във възбудено
състояние. Под действието на
фотона възбуденият атом
може да излъчи принудително
фотон, който има същото
направление, енергия и
честота с падащия. Това прави
стимулираното излъчване монохроматично
и
кохерентно.
3. Условия за лазерно лъчение. Инверсна населеност:
Стимулираното излъчване е в основата
на лазерното лъчение и оптическия
квантов генератор (лазер). Лазерът е
устройство, което преобразува различни
видове енергия (електрическа,
светлинна, химична, топлинна и др.) в
енергия на кохерентно електромагнитно
излъчване в оптичния диапазон.
Лазерът е изграден от следните три
основни компонента: активна среда,
външен източник на енергия (може да е
светлина от газоразрядна
лампа,електрически ток, дори топлина),
и резонатор (в най-простия си вид той се
състои от две огледала, едното от които
има коефициент на отражение близък до
100% (наречено глухо), а другото - помалък от 100% (наречено
полупропускливо).
Схема на лазер:
1 - активна среда
2 - източник на напомпване
3 - 100% огледало
4 - полупропускливо огледало
5 - лазерен лъч
Така описаните три
компонента могат да бъдат
както миниатюрно
устройство с размер под 1
mm, така и доста сложна и
обемиста система.
Лазерните системи в
микроелектрониката,
например, могат да заемат
цели стаи.
Важно условие за лазерно лъчение е
наличието на активна среда, в която броят на
атомите във възбудено състояние надвишава
броя на атомите в основно състояние. При
нормални условия по-голяма част от атомите
са в основно състояние (казва се, че то е “понаселено” от възбуденото).
За да се получи по-голяма населеност на
възбудените нива (т. нар. “инверсна” или
“обратна населеност”) е необходимо атомите
да се приведат в сравнително дълготрайни
(метастабилни) възбудени състояния ( ≈ 10-3 s)
Това може да се осъществи при наличие на
система с три енергетични състояния Е1, Е2 и Е3
като междинното Е2 е с по-дълъг живот от повисокото Е3. При облъчване на такава система
с лъчение с честота =(Е3 – Е1)/h, една част от
атомите ще преминат в състояние Е3. Там те
престояват кратко време, след което спонтанно
преминават в състояние Е2. При достатъчно
мощно възбуждане, след кратко време броят
на атомите на ниво Е2 ще превиши този на ниво
Е1. Така може да се осигури инверсна
населеност, без която лазерът не може да
работи.
Ако в среда, в която е постигната
обратна населеност, попадне
фотон с енергия Е2 – Е1, той може
да предизвика стимулирано
излъчване на някой атом. Двата
фотона (началният и излъченият)
могат да предизвикат
стимулирано излъчване на още
два атома и т.н. – процесът се
развива лавинообразно. И тъй
като стимулираните преходи на
атомите в основното им състояние
са синхронизирани помежду си,
получената светлина е кохерентна.
Поради това че се сумират
полетата на голям брой
кохерентни вълни, интензитетът
на общата вълна може да надмине
многократно интензитета на
падащата в началото вълна. По
такъв начин се постига усилване
на интензитета на вълната.
Ако в двата края на активната
среда се постави по едно огледало
(едното полупропускливо – както
бе казано при лазерни източници
на светлина), в средата ще се
генерира електромагнитно
лъчение.
Лазерни ефекти по време на
концерт на Жан Мишел Жар
Лазер в лаборатория на НАСА
Лазерни лъчи по време на спектакъла “Звук и
светлина” на хълма Царевец - гр. В. Търново
Получаваната с лазерите светлина се характеризира с висока
монохроматичност и кохерентност (съгласуваност).Едновременно с това
лазерният сноп е с почти успоредни лъчи и с много голям интензитет. Друго
свойство на лазерните източници е огромната яркост – тя значително
надвишава тази на Слънцето.
Приложение на лазерите
Посочените достойнства на
лазерите определя тяхното огромно
приложение:
В медицината-лазерна хирургия,
пластична хирургия, офталмология,
урология);
Устройства за запис и четене на
информация (CD и DVD);
Лазерни принтери;
Лазерна обработка на материали
(термообработка, заваряване,
рязане, пробиване на отвори,
оформяне на надписи и др.)
В електрониката (надписване и
херметизация на интегрални схеми,
рисуване на печатни платки и др.)
В информационните технологии
(пренос на данни с висока скорост,
холография)
Военно дело