Espectros de linha - este é talvez um dos tópicos importantes que são considerados no curso de física da 8ª série na seção de óptica. É importante porque nos permite entender a estrutura atômica, bem como usar esse conhecimento para estudar nosso Universo. Vamos considerar esta questão no artigo.
O conceito de espectro eletromagnético
Primeiro de tudo, vamos explicar sobre o que será o artigo. Todo mundo sabe que a luz do sol que vemos são ondas eletromagnéticas. Qualquer onda é caracterizada por dois parâmetros importantes - seu comprimento e frequência (sua terceira propriedade não menos importante é a amplitude, que reflete a intensidade da radiação).
No caso da radiação eletromagnética, ambos os parâmetros estão relacionados na seguinte equação: λν=c, onde as letras gregas λ (lambda) e ν (nu) geralmente denotam o comprimento de onda e sua frequência, respectivamente, e c é a velocidade da luz. Como este último é um valor constante para o vácuo, o comprimento e a frequência das ondas eletromagnéticas são inversamente proporcionais entre si.
O espectro eletromagnético na física é aceitonomeie o conjunto de diferentes comprimentos de onda (frequências) que são emitidos pela fonte de radiação correspondente. Se a substância absorve, mas não emite ondas, fala-se de um espectro de adsorção ou absorção.
O que são espectros eletromagnéticos?
Em geral, existem dois critérios para sua classificação:
- Por frequência de radiação.
- De acordo com o método de distribuição de frequência.
Não nos deteremos na consideração do 1º tipo de classificação neste artigo. Aqui diremos apenas brevemente que existem ondas eletromagnéticas de altas frequências, que são chamadas de radiação gama (>1020 Hz) e raios X (1018 -10 19Hz). O espectro ultravioleta já é de frequências mais baixas (1015-1017 Hz). O espectro visível ou óptico encontra-se na faixa de frequência 1014 Hz, que corresponde a um conjunto de comprimentos de 400 µm a 700 µm (algumas pessoas conseguem enxergar um pouco "mais amplo": de 380 µm a 780 µm). As frequências mais baixas correspondem ao espectro infravermelho ou térmico, bem como às ondas de rádio, que já podem ter vários quilômetros de comprimento.
Mais adiante no artigo, examinaremos mais de perto o 2º tipo de classificação, que é observado na lista acima.
Linha e espectro de emissão contínua
Absolutamente qualquer substância, se aquecida, emitirá ondas eletromagnéticas. Quais serão as frequências e comprimentos de onda? A resposta a esta pergunta depende do estado de agregação da substância em estudo.
Líquidos e sólidos emitem, via de regra, um conjunto contínuo de frequências, ou seja, a diferença entre eles é tão pequena que podemos falar de um espectro contínuo de radiação. Por sua vez, se um gás atômico de baixa pressão for aquecido, ele começará a "brilhar", emitindo comprimentos de onda estritamente definidos. Se estes últimos forem revelados em filme fotográfico, serão linhas estreitas, cada uma das quais responsável por uma frequência específica (comprimento de onda). Portanto, esse tipo de radiação foi chamado de espectro de emissão de linha.
Entre linha e contínua existe um tipo intermediário de espectro, que normalmente emite um gás molecular ao invés de um gás atômico. Este tipo são bandas isoladas, cada uma das quais, quando examinada em detalhes, consiste em linhas estreitas separadas.
Espectro de absorção de linha
Tudo o que foi dito no parágrafo anterior se referia à radiação das ondas pela matéria. Mas também tem absorção. Vamos realizar o experimento usual: vamos pegar um gás atômico descarregado frio (por exemplo, argônio ou néon) e deixar passar a luz branca de uma lâmpada incandescente. Depois disso, analisamos o fluxo de luz que passa pelo gás. Acontece que se esse fluxo é decomposto em frequências individuais (isso pode ser feito usando um prisma), então aparecem faixas pretas no espectro contínuo observado, o que indica que essas frequências foram absorvidas pelo gás. Neste caso, fala-se de um espectro de absorção de linha.
Em meados do século XIX. Cientista alemão chamado GustavKirchhoff descobriu uma propriedade muito interessante: ele notou que os lugares onde as linhas pretas aparecem no espectro contínuo correspondem exatamente às frequências da radiação de uma determinada substância. Atualmente, esse recurso é chamado de lei de Kirchhoff.
Série Balmer, Liman e Pashen
Desde o final do século 19, físicos de todo o mundo têm procurado entender o que são os espectros de linha de radiação. Verificou-se que cada átomo de um determinado elemento químico em qualquer condição apresenta a mesma emissividade, ou seja, emite ondas eletromagnéticas de apenas frequências específicas.
Os primeiros estudos detalhados desta questão foram realizados pelo físico suíço Balmer. Em seus experimentos, ele usou gás hidrogênio aquecido a altas temperaturas. Como o átomo de hidrogênio é o mais simples entre todos os elementos químicos conhecidos, é mais fácil estudar as características do espectro de radiação nele. Balmer obteve um resultado incrível, que ele escreveu na seguinte fórmula:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
Aqui λ é o comprimento da onda emitida, RH - algum valor constante, que para hidrogênio é igual a 1, 097107 m -1, n é um número inteiro começando em 3, ou seja, 3, 4, 5 etc.
Todos os comprimentos λ, que são obtidos a partir desta fórmula, estão dentro do espectro óptico visível aos humanos. Esta série de valores λ para o hidrogênio é chamada de espectroBalmer.
Em seguida, usando o equipamento apropriado, o cientista americano Theodore Liman descobriu o espectro ultravioleta do hidrogênio, que descreveu com uma fórmula semelhante à de Balmer:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
Finalmente, outro físico alemão, Friedrich Paschen, obteve uma fórmula para a emissão de hidrogênio na região do infravermelho:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
No entanto, apenas o desenvolvimento da mecânica quântica na década de 1920 poderia explicar essas fórmulas.
Rutherford, Bohr e o modelo atômico
Na primeira década do século 20, Ernest Rutherford (físico britânico de origem neozelandesa) realizou muitos experimentos para estudar a radioatividade de vários elementos químicos. Graças a esses estudos, nasceu o primeiro modelo do átomo. Rutherford acreditava que esse "grão" de matéria consiste em um núcleo eletricamente positivo e elétrons negativos girando em suas órbitas. As forças de Coulomb explicam por que o átomo "não se desfaz", e as forças centrífugas que atuam sobre os elétrons são a razão pela qual estes não caem no núcleo.
Tudo parece ser lógico neste modelo, exceto um mas. O fato é que ao se mover ao longo de uma trajetória curvilínea, qualquer partícula carregada deve irradiar ondas eletromagnéticas. Mas no caso de um átomo estável, esse efeito não é observado. Então acontece que o próprio modelo está errado?
As alterações necessárias foram feitasoutro físico é o dinamarquês Niels Bohr. Essas alterações são agora conhecidas como seus postulados. Bohr introduziu duas proposições no modelo de Rutherford:
- elétrons se movem em órbitas estacionárias em um átomo, enquanto não emitem ou absorvem fótons;
- o processo de radiação (absorção) ocorre somente quando um elétron se move de uma órbita para outra.
O que são órbitas de Bohr estacionárias, vamos considerar no próximo parágrafo.
Quantização de níveis de energia
As órbitas estacionárias de um elétron em um átomo, sobre as quais Bohr falou pela primeira vez, são estados quânticos estáveis dessa onda-partícula. Esses estados são caracterizados por uma certa energia. O último significa que o elétron no átomo está em alguma energia "bem". Ele pode entrar em outro "poço" se receber energia adicional do lado de fora na forma de um fóton.
Nos espectros de absorção e emissão de linha para o hidrogênio, cujas fórmulas são dadas acima, você pode ver que o primeiro termo entre colchetes é um número da forma 1/m2, onde m=1, 2, 3.. é um número inteiro. Ele reflete o número da órbita estacionária para a qual o elétron passa de um nível de energia mais alto n.
Como eles estudam espectros na faixa do visível?
Já foi dito acima que prismas de vidro são usados para isso. Isso foi feito pela primeira vez por Isaac Newton em 1666, quando ele decompôs a luz visível em um conjunto de cores do arco-íris. A razão paraque este efeito é observado está na dependência do índice de refração no comprimento de onda. Por exemplo, a luz azul (ondas curtas) é refratada mais fortemente do que a luz vermelha (ondas longas).
Observe que no caso geral, quando um feixe de ondas eletromagnéticas se move em qualquer meio material, as componentes de alta frequência desse feixe são sempre refratadas e espalhadas mais fortemente do que as de baixa frequência. Um excelente exemplo é a cor azul do céu.
Lentes ópticas e espectro visível
Ao trabalhar com lentes, a luz solar é frequentemente usada. Por ser um espectro contínuo, ao passar pela lente, suas frequências são refratadas de forma diferente. Como resultado, o dispositivo óptico é incapaz de coletar toda a luz em um ponto, e aparecem tons iridescentes. Este efeito é conhecido como aberração cromática.
O problema indicado de óptica de lentes é parcialmente resolvido usando uma combinação de óculos ópticos em instrumentos apropriados (microscópios, telescópios).
