Электромагнитное излучение

1. Индекс главы в этом окне - - Указатель главы в отдельном окне Этот материал (включая изображения)...
2. Универсальность физических законов в пространстве и времени
3. Перейти к астрономическим заметкам домой
4. Является ли эта страница копией Астрономических заметок Штробеля?

Индекс главы в этом окне - - Указатель главы в отдельном окне Этот материал (включая изображения) авторское право! ,См мой Уведомление об авторских правах для добросовестного использования практики.

Давайте посмотрим, как модель атома Бора объясняет три типа спектров. Линия излучения создается атомом в «возбужденном» энергетическом состоянии - электрон находится не на такой низкой энергетической орбите, как это возможно. Помните правило № 3! Чтобы перейти на более низкую энергетическую орбиту, электрон должен потерять энергию определенного определенного количества. Атом высвобождает энергию - это форма фотона с этой конкретной энергией. Энергия фотона = разность энергий энергетических орбит (ступеней энергетической лестницы).

Пример: атом с электроном на орбите E2 и хочет попасть на более низкую энергетическую орбиту E1 . Он испускает фотон с энергией E = h × f = E2 - E1 . Электрон может достичь основного состояния за один прыжок или временно остановиться на одном или нескольких энергетических уровнях в пути, но он НЕ МОЖЕТ остановиться где-то между энергетическими уровнями. Различные прыжки производят фотоны разных энергий. Больший скачок к более низкому энергетическому уровню даст фотон с большей энергией (меньшая длина волны).

Атом производит свет определенной длины волны. (Помните, что свет - это и фотон, и волна!). Чем больше атомов претерпевает определенный переход, тем интенсивнее будет линия излучения. Интенсивность зависит от плотности и температуры газа.

Линия поглощения образуется, когда атом с нужной энергией поглощается атомом, отбрасывая электрон на более высокую энергетическую орбиту. У фотона была энергия = разница в энергии энергетических орбит. Поскольку энергетические уровни в атомах элемента являются фиксированными, размер внешних скачков, совершаемых электронами, совпадает с внутренними скачками. Следовательно, рисунок линий поглощения такой же, как рисунок линий излучения. Другие фотоны, движущиеся через газ с неправильной энергией, будут проходить прямо через атомы в тонком газе. Они составляют остальную часть непрерывного спектра, который вы видите.

Пример: атом с электроном на орбите E1 видит фотон с энергией Ephoton = E2 - E1 . Фотон поглощается, и электрон движется к E2 . Фотон позже переизлучается, но в случайном направлении - не обязательно в том же направлении, что и исходный фотон! Наблюдатель будет видеть меньше фотонов от направления непрерывного источника на этой конкретной частоте (цвет), чем другие частоты (цвета). Фотоны других энергий проходят мимо, не поглощаясь. Атом может поглощать фотоны только нужной энергии, чтобы переместить электрон с одного энергетического уровня на другой уровень. (См. Блок «Как вы это делаете?» Ниже для более подробного примера линий поглощения водорода.) Чем больше атомов претерпевает определенный переход поглощения, тем темнее (или «сильнее») линия поглощения. Сила линии поглощения зависит от плотности и температуры.

Создание линий поглощения водорода

Как ты это делаешь?

Найти энергии фотонов, которые могут быть поглощены атомом водорода, если водородный газ достаточно горячий, чтобы его электрон обычно находился на втором энергетическом уровне. (Мы увидим в главе 11, что это относится к звездам типа A и B.) В этом примере мы будем использовать стандартное физическое соглашение, а значения уровней энергии будут отрицательными числами, что означает, что электроны в уровни связаны с атомом. В этом соглашении электрон с положительной энергией свободен от атома (не связан). Кроме того, мы будем использовать единицу энергии, называемую «электрон-вольт» (эВ), где 1 эВ = 1,602 х 10-19 Дж, чтобы с числами было легче работать. Только четыре из множества энергетических уровней показаны на рисунке ниже.

Возможны следующие энергетические скачки:

• от n = 2 до n = 3 при энергии -1,51 - (-3,4) = 1,89 эВ;
• от n = 2 до n = 4 при энергии -0,85 - (-3,4) = 2,55 эВ;
• от n = 2 до n = бесконечность при энергии 0 - (-3,4) = 3,4 эВ;
• n = 2 для других уровней энергии выше n = 4, не показанных на рисунке, найденном по формуле: 13,6 x (1/4 - 1 / n2);
• n = 2 к несвязанному (ионизирующему атом), если энергия> 3,4 эВ.

Фотоны с энергиями от 1,89 до 3,4 эВ, не перечисленные выше, НЕ будут поглощаться атомом.

Спектр показывает энергии линий поглощения водорода. Линия при 2,86 эВ предназначена для скачка с n = 2 до n = 5, а линия с 3,02 эВ предназначена для скачка с n = 2 до n = 6.

Тепловой спектр создается атомами, которые тесно связаны друг с другом. Энергетические уровни атомов искажены электронами соседнего атома. Это размывает обычно резкие спектральные линии (они становятся более толстыми).

Пример. Оранжевая линия закреплена так, что один край находится в желтых длинах волн, а другой край - в красных длинах волн. Количество размазывания или расширения зависит от плотности. В конце концов, плотность становится достаточно высокой, чтобы все размытые линии слились воедино, создавая радугу цветов непрерывного спектра.

Используйте программу UNL Astronomy Education Модуль водородных энергетических уровней для дальнейшего изучения того, как создаются линии эмиссии и поглощения (ссылка появится в новом окне). Вы также можете увидеть, как количество атомов в данном состоянии (электронов на данном уровне энергии) изменяется с температурой.

Универсальность физических законов в пространстве и времени

Характер спектральных линий и конкретных длин волн, создаваемых атомом, очень чувствительно зависит от масс и зарядов субатомных частиц и взаимодействий между ними (сил и правил, которым они следуют). Если бы разные части Вселенной имели даже небольшие отличия в правилах квантовой механики, которые регулируют взаимодействия протонов, электронов и нейтронов, или различия в силах фундаментальных сил природы от наблюдаемых на Земле, мы бы увидели заметное изменения расстояния и силы спектральных линий. Если бы субатомные частицы имели разное количество заряда или массы, рисунок линий был бы другим, чем то, что вы видите на Земле. Мы наблюдаем, что все атомы водорода производят одинаковые линии линий повсюду во вселенной, независимо от того, находятся ли они на Солнце, в других звездах, далеких галактиках или межгалактическом пространстве. (Водород не является особенным в этом отношении - все другие типы атомов производят одну и ту же модель, которая уникальна для этого типа атома.) Тот факт, что мы видим ту же схему линий для данного элемента (тип атома) ) везде во вселенной говорит нам, что одни и те же законы физики, используемые в структуре атомов, действуют повсюду во вселенной.

Вспомните из первой главы, что астрономия дает нам своего рода машину времени: когда мы смотрим на очень далекие объекты, мы видим их такими, какими они были давным-давно, потому что свету, движущемуся с высокой, но конечной скоростью, потребовалось много времени, чтобы путешествовать огромные расстояния между нами и отдаленными объектами. Свет от этих далеких объектов говорит нам о физических законах, действующих в той части вселенной, когда свет испускался давно. Тот факт, что мы видим один и тот же шаблон линий для данного элемента в свете, излучаемом объектами в любое время во вселенной, говорит нам о том, что законы физики одинаковы во времени - они не меняются.

В следующих главах вы также увидите, что к тем же выводам можно прийти, взглянув на гравитационные взаимодействия объектов в любом положении и на расстоянии от нас. Мы видим одни и те же законы природы, действующие во всех местах и ​​во вселенной. Если задуматься немного об этом факте, это чертовски удивительно!

Вернуться к предыдущему разделу - Перейти к следующему разделу

Перейти к астрономическим заметкам домой

Последнее обновление: 7 июня 2018 г.

Является ли эта страница копией Астрономических заметок Штробеля?

Автор оригинал содержание: Ник Штробель

Похожие

Комментарии