原子による光の放出と吸収。ラインスペクトルの起源

教育：

この記事では、原子による光の放出と吸収がどのように起こるかを理解するために必要な基本概念について概説します。また、これらの現象の使用についても説明します。

スマートフォンと物理

1990年以降に生まれた男さまざまな電子機器を使わずに人生を想像することはできません。スマートフォンは電話を交換するだけでなく、アプリケーションを使用してISSに乗って宇宙飛行士と通信したり、為替レートを監視したり、取引をしたり、タクシーを呼び出す機会を提供します。従って、これらのデジタルアシスタントはすべて当然のことである。あらゆる種類のデバイスを削減する時代が到来した原子の光の放出と吸収は、読者にとっては物理学の教訓の退屈な話題にしか見えません。しかし、物理学のこのセクションでは興味深く魅力的なものがたくさんあります。

スペクトルの発見のための理論的前提条件

「好奇心が善行にもたらすことはない」という諺があります。しかし、この表現は、他の人々の関係を妨害しないほうが良いという事実におそらく関係している。あなたが世界に好奇心を示すなら、何も悪いことは起こりません。 19世紀の終わりには、人々は磁気の性質を知るようになりました（これはMaxwellの方程式でよく説明されています）。科学者が解決したい次の質問は、物質の構造であった。すぐに解明する必要があります：科学にとって、貴重な原子による光の放出と吸収ではありません。線スペクトルは、この現象の結果であり、物質の構造を研究するための基礎である。

原子構造

古代ギリシャの科学者たちは、大理石はいくつかの不可分な部分、「原子」で構成されています。そして、19世紀の終わりまで、人々はそれが物質の最小粒子であると考えました。しかし、金箔上に重い粒子を分散させたラザフォードの経験は、その原子が内部構造も持っていることを示しました。重い核は中心にあり、正に帯電しており、軽い負の電子がその周りを回転している。

マクスウェル理論の枠組みにおける原子のパラドックス

これらのデータはいくつかのパラドックスを生じさせた。マクスウェル方程式によれば、移動する荷電粒子は電磁場を放出し、したがって、エネルギーを失う。なぜ電子は核に当たっていないのですか？なぜ各原子が特定の波長の光子しか吸収または放出するのかも不明であった。ボーアの理論は軌道に入ることによってこれらの不一致を排除することを可能にした。この理論の仮定によれば、電子はこれらの軌道上にのみ核の周りに位置することができる。隣接する2つの状態間の遷移は、あるエネルギーを有する量子の放出または吸収のいずれかを伴う。原子による光の放出と吸収は正確に起こります。

波長、周波数、エネルギー

より完全な画像を表示するには、光子については少し。これらは、静止質量を持たない基本粒子である。彼らは環境中を移動する間だけ存在します。しかし、彼らはまだ質量を持っています。表面に当たって、衝撃を与えます。これは、質量なしでは不可能です。彼らは単純に彼らの質量をエネルギーに変換し、彼らがヒットし、吸収された物質を少し暖かくします。ボーアの理論はこの事実を説明していない。光子の性質とその挙動の特徴は、量子物理学によって記述される。したがって、光子は、波と質量のある粒子の両方です。光子は、波として、長さ（λ）、周波数（ν）、エネルギー（E）の特徴を有する。波長が長いほど、周波数は低くなり、エネルギーは低くなります。

アトムスペクトル

原子スペクトルは数段階で形成される。

原子内の電子は、軌道2（高エネルギー）から軌道1（低エネルギー）で通過する。
一定量のエネルギーが放出され、これは光の量子（hν）として形成される。
この量子は周囲の空間に放出される。

これは、線スペクトルがどのように得られるかである。原子。それはなぜこのように呼ばれ、その形式を説明します：特殊な装置が光の光子を "捕まえる"とき、いくつかの線が登録装置に記録されます。異なる波長の光子を分離するために、回折現象が使用される：異なる周波数の波は異なる屈折率を有するため、あるものは他のものよりも強く偏向される。

物質とスペクトルの性質

線スペクトルは物質ごとにユニークです。原子の種類。つまり、放出されると、水素は一組の線を与え、金は別の線を与える。この事実が分光測定の応用の基礎となる。何かのスペクトルを得たら、物質がどのように構成されているか、原子がどのように相互に位置しているかを理解することができます。このメソッドを使用すると、化学と物理がよく使用する材料のさまざまな特性を定義できます。原子による光の吸収と放出は、周囲の世界を研究するための最も一般的なツールの1つです。

発光スペクトル法の短所

これまでのところ、どのように原子が放射する。しかし、通常、すべての電子は平衡状態で軌道上にあるため、他の状態に移行する理由はありません。物質が何かを放出するためには、最初にエネルギーを吸収しなければならない。これは、原子による光の吸収および放出を利用する方法の欠点である。私たちがスペクトルを得る前に物質を最初に加熱しなければならないことを簡単に述べましょう。科学者が星を研究すると、彼ら自身の内部プロセスのおかげで既に輝いています。しかし、鉱石や食品を勉強したい場合は、スペクトルを得るために実際に焼くべきです。この方法は必ずしも適切ではありません。

吸収スペクトル

方法としての原子による光の放射と吸収2つの方向で "作品"。広帯域の光（すなわち、異なる波長の光子がある光）で物質を照らし、吸収された波を見ることができます。しかし、この方法は必ずしも適切ではありません。物質が電磁気スケールの所望の部分に対して透明であることが不可欠です。

定性および定量分析

それは明らかになった：スペクトルは各物質に固有です。読者は、そのような分析は、その材料がどのようなものであるかを決定するためにのみ用いられると結論づけることができる。しかしながら、スペクトルの可能性ははるかに広い。結果として得られる線の幅と強度を考慮し認識する特別な方法の助けを借りて、化合物の原子数を決定することができます。さらに、この指標は異なる単位で表すことができます。

（例えば、この合金は1％のアルミニウムを含む）。
（3モルの塩がこの液体に溶解される）。
（このサンプルには0.2gのウランと0.4gのトリウムがあります）。

場合によっては分析が混在することもあります。定性的かつ定量的である。しかし、以前の物理学者が特別なテーブルの助けを借りて線の位置を記憶し、色を評価したならば、今やプログラムはそれをすべて行います。

スペクトルアプリケーション

私たちはすでにいくつかの詳細を分析しています原子による光の放出と吸収。スペクトル分析は非常に広く使用されています。検討中の現象が使用されている場合でも、人間活動の分野は1つではありません。ここにそれらのいくつかがあります：

この記事の冒頭で、私たちはスマートフォンについて話しました。シリコン半導体素子は、スペクトル分析を用いた結晶の研究を含めて、非常に小さくなってきている。
いずれにせよ、それはユニークです各原子の電子殻は、最初に発射された弾丸、なぜ車のフレームが破損したか、またはタワークレーンが落ちたか、人を毒殺した毒、そして水にどれだけの時間を費やしたかを判断することができます。
医学は、体液との関連で最も頻繁に自分の目的のためにスペクトル分析に使用されていますが、この方法は組織に適用されます。
遠方の銀河、宇宙ガス雲、外星からの惑星 - このすべては、光とそのスペクトルへの分解の助けを借りて研究されています。科学者たちは、これらの物体の構成、速度、それらが放出または吸収する光子を捕捉して分析することができるため、それらの過程を認識しています。

電磁スケール

なによりも、私たちは可視光に注意を払っています。しかし電磁気スケールでは、このセグメントは非常に小さい。人間の目が固定されないという事実は、虹の7色よりはるかに広いです。可視光子（λ= 380-780ナノメートル）だけでなく、他の量子も放出し吸収することができます。電磁スケールには、

電波（λ＝１００キロメートル）は長距離にわたって情報を送信する。それらの非常に長い波長のために、それらのエネルギーは非常に低い。それらは非常に簡単に吸収されます。
テラヘルツ波 （λ= 1〜0.1ミリメートル）最近までアクセスが困難でした。以前は、その範囲は電波に含まれていましたが、現在では電磁スケールのこの部分は別のクラスで際立っています。
赤外線（λ＝０．７４〜２０００マイクロメートル）は熱を伝達する。たき火、ランプ、太陽がそれらを豊富に放出します。

私たちは可視光を調べたので、それ以上詳細には書きません。

紫外線 （λ= 10〜400ナノメートル）は、人間にとって致命的です過剰だが、それらの欠如は不可逆的なプロセスを引き起こす。私たちの中心の星はたくさんの紫外線を与えます、そして地球の大気はそれの大部分を拘束します。

X線およびガンマ線 （λ<10ナノメートル）共通の範囲がありますが、由来は異なります。それらを得るためには、電子や原子を非常に高速に加速する必要があります。人間の実験室ではこれが可能ですが、そのようなエネルギーは自然界では恒星の内部、あるいは巨大な物体の衝突の中でしか見られません。後者のプロセスの例は、超新星爆発、ブラックホールによる星の吸収、2つの銀河の出会い、あるいは銀河と巨大なガスの雲として役立つことができます。

あらゆる範囲の電磁波、すなわち原子によって放出され吸収されるそれらの能力は人間の活動に使われます。読者が自分の人生の道として選択した（または選択しようとしているだけである）という事実に関係なく、彼は間違いなくスペクトル研究の結果に直面するでしょう。科学者が物質の特性を研究してマイクロチップを作成したという理由だけで、売り手は現代の支払い端末を使用します。地質学者がかつて一片の鉱石からリンを発見したという理由だけで、農家は畑を肥沃にし、そして今や大きな収穫を集めています。その少女は、しつこい化学染料の発明のおかげで明るい服装を着ています。

しかし、もし読者が自分の人生を科学の世界と結びつけたいのであれば、彼は原子の中での光の放出と吸収の過程の基本的な概念よりもっと多くを研究しなければならないでしょう。