ספקטרום קווים - זה אולי אחד הנושאים החשובים שנחשבים בקורס פיזיקה לכיתה ח' במדור האופטיקה. זה חשוב כי זה מאפשר לנו להבין את המבנה האטומי, כמו גם להשתמש בידע הזה כדי לחקור את היקום שלנו. בוא נשקול את הנושא הזה במאמר.
המושג של ספקטרום אלקטרומגנטי
קודם כל, בואו נסביר על מה המאמר יעסוק. כולם יודעים שאור השמש שאנו רואים הוא גלים אלקטרומגנטיים. כל גל מאופיין בשני פרמטרים חשובים - אורכו ותדירותו (התכונה השלישית, לא פחות חשובה שלו היא המשרעת, המשקפת את עוצמת הקרינה).
במקרה של קרינה אלקטרומגנטית, שני הפרמטרים קשורים במשוואה הבאה: λν=c, כאשר האותיות היווניות λ (lambda) ו-ν (nu) מציינות בדרך כלל את אורך הגל ואת התדירות שלו, בהתאמה, ו-c היא מהירות האור. מאחר שהאחרון הוא ערך קבוע לוואקום, האורך והתדירות של גלים אלקטרומגנטיים עומדים ביחס הפוך זה לזה.
הספקטרום האלקטרומגנטי בפיזיקה מקובלשם את קבוצת אורכי הגל (תדרים) השונים הנפלטים ממקור הקרינה המתאים. אם החומר סופג, אבל לא פולט גלים, אז מדברים על ספקטרום ספיחה או ספיגה.
מהן ספקטרום אלקטרומגנטי?
באופן כללי, ישנם שני קריטריונים לסיווגם:
- לפי תדר קרינה.
- לפי שיטת חלוקת התדרים.
לא נתעכב על שיקול הסוג הראשון של סיווג במאמר זה. כאן נאמר רק בקצרה שישנם גלים אלקטרומגנטיים בתדרים גבוהים, הנקראים קרינת גמא (>1020 Hz) ורנטגן (1018 -10 19 הרץ). הספקטרום האולטרה-סגול הוא כבר בתדרים נמוכים יותר (1015-1017 Hz). הספקטרום הנראה או האופטי נמצא בטווח התדרים 1014 הרץ, המתאים לסט של אורכים מ-400 µm עד 700 µm (יש אנשים שמסוגלים לראות קצת יותר "רחבים": מ-380 מיקרומטר עד 780 מיקרון). תדרים נמוכים יותר מתאימים לספקטרום האינפרא אדום או התרמי, כמו גם גלי רדיו, שאורכם כבר יכול להיות כמה קילומטרים.
בהמשך המאמר, נסתכל מקרוב על סוג הסיווג השני, אשר מצוין ברשימה למעלה.
ספקטרום פליטה רציף
לחלוטין כל חומר, אם יחומם, יפלוט גלים אלקטרומגנטיים. אילו תדרים ואורכי גל הם יהיו? התשובה לשאלה זו תלויה במצב הצבירה של החומר הנבדק.
נוזל ומוצק פולטים, ככלל, קבוצה רציפה של תדרים, כלומר, ההבדל ביניהם הוא כל כך קטן שאפשר לדבר על ספקטרום רציף של קרינה. בתורו, אם גז אטומי בעל לחצים נמוכים מחומם, הוא יתחיל "לזהר", ויפלוט אורכי גל מוגדרים בהחלט. אם האחרונים מפותחים על סרט צילום, אז הם יהיו קווים צרים, שכל אחד מהם אחראי על תדר מסוים (אורך גל). לכן, סוג זה של קרינה נקרא ספקטרום פליטת הקו.
בין קו לרציף יש סוג ביניים של ספקטרום, שבדרך כלל פולט גז מולקולרי ולא אטומי. סוג זה הוא רצועות מבודדות, שכל אחת מהן, כאשר בוחנים אותה לפרטיה, מורכבת מקווים צרים נפרדים.
ספקטרום בליעת קו
כל מה שנאמר בפסקה הקודמת התייחס לקרינת גלים על ידי חומר. אבל יש לו גם יכולת ספיגה. בואו נערוך את הניסוי הרגיל: בואו ניקח גז אטומי שנפרק קר (למשל, ארגון או ניאון) וניתן לאור לבן של מנורת ליבון לעבור דרכו. לאחר מכן, אנו מנתחים את שטף האור העובר דרך הגז. מסתבר שאם השטף הזה מתפרק לתדרים בודדים (ניתן לעשות זאת באמצעות מנסרה), אז מופיעים פסים שחורים בספקטרום הרציף הנצפה, המעידים על כך שהתדרים הללו נספגו בגז. במקרה זה, מדברים על ספקטרום בליעת קווים.
באמצע המאה ה-19. מדען גרמני בשם גוסטבקירכהוף גילה תכונה מעניינת מאוד: הוא הבחין שהמקומות שבהם מופיעים קווים שחורים על הספקטרום הרציף תואמים בדיוק לתדרים של הקרינה של חומר נתון. נכון לעכשיו, תכונה זו נקראת חוק קירכהוף.
סדרות באלמר, לימן ופשן
מאז סוף המאה ה-19, פיסיקאים ברחבי העולם ביקשו להבין מהן ספקטרום הקווים של הקרינה. נמצא שכל אטום של יסוד כימי נתון בכל תנאי מציג את אותה פליטות, כלומר, הוא פולט גלים אלקטרומגנטיים בתדרים ספציפיים בלבד.
המחקרים המפורטים הראשונים בנושא זה בוצעו על ידי הפיזיקאי השוויצרי באלמר. בניסויים שלו, הוא השתמש בגז מימן שחומם לטמפרטורות גבוהות. מכיוון שאטום המימן הוא הפשוט ביותר מבין כל היסודות הכימיים הידועים, הכי קל ללמוד את תכונות ספקטרום הקרינה עליו. באלמר השיג תוצאה מדהימה, אותה רשם כנוסחה הבאה:
1/λ=RH(1/4-1/n2).
כאן λ הוא אורך הגל הנפלט, RH - ערך קבוע כלשהו, שעבור מימן שווה ל-1, 097107 m -1, n הוא מספר שלם שמתחיל מ-3, כלומר 3, 4, 5 וכו'.
כל האורכים λ, המתקבלים מנוסחה זו, נמצאים בתוך הספקטרום האופטי הנראה לבני אדם. סדרה זו של ערכי λ למימן נקראת הספקטרוםבאלמר.
לאחר מכן, באמצעות הציוד המתאים, גילה המדען האמריקני תיאודור לימן את ספקטרום המימן האולטרה סגול, אותו תיאר בנוסחה דומה לזו של באלמר:
1/λ=RH(1/1-1/n2).
לבסוף, פיזיקאי גרמני אחר, פרידריך פאשן, השיג נוסחה לפליטת מימן באזור האינפרא אדום:
1/λ=RH(1/9-1/n2).
עם זאת, רק התפתחות מכניקת הקוונטים בשנות העשרים של המאה ה-20 יכולה להסביר את הנוסחאות האלה.
רת'רפורד, בוהר והמודל האטומי
בעשור הראשון של המאה ה-20, ארנסט רתרפורד (פיזיקאי בריטי ממוצא ניו זילנד) ערך ניסויים רבים כדי לחקור את הרדיואקטיביות של יסודות כימיים שונים. הודות למחקרים אלו, נולד המודל הראשון של האטום. רתרפורד האמין ש"גרגר" החומר הזה מורכב מגרעין חיובי חשמלי ומאלקטרונים שליליים המסתובבים במסלוליו. כוחות קולומב מסבירים מדוע האטום "לא מתפרק", וכוחות צנטריפוגליים הפועלים על אלקטרונים הם הסיבה לכך שהאחרונים אינם נופלים לתוך הגרעין.
נראה שהכל הגיוני במודל הזה, מלבד אבל אחד. העובדה היא שכאשר נעים לאורך מסלול עקום, כל חלקיק טעון חייב להקרין גלים אלקטרומגנטיים. אבל במקרה של אטום יציב, השפעה זו אינה נצפית. ואז מתברר שהדגם עצמו שגוי?
התיקונים הדרושים נעשו בופיזיקאי נוסף הוא הדני נילס בוהר. תיקונים אלה ידועים כעת בתור ההנחות שלו. בוהר הציג שתי הצעות למודל של רתרפורד:
- אלקטרונים נעים במסלולים נייחים באטום, בעוד שהם אינם פולטים או סופגים פוטונים;
- תהליך הקרינה (בליעה) מתרחש רק כאשר אלקטרון נע ממסלול אחד למשנהו.
מהם מסלולי בוהר נייחים, נשקול בפסקה הבאה.
כיוונטיזציה של רמות האנרגיה
המסלולים הנייחים של אלקטרון באטום, שעליהם דיבר בוהר לראשונה, הם מצבים קוונטיים יציבים של גל החלקיקים הזה. מצבים אלו מאופיינים באנרגיה מסוימת. זה האחרון אומר שהאלקטרון באטום נמצא באנרגיה כלשהי "באר". הוא יכול להיכנס ל"בור" אחר אם הוא מקבל אנרגיה נוספת מבחוץ בצורה של פוטון.
בספקטרום הקליטה והפליטה של הקו למימן, שנוסחאותיהם ניתנות לעיל, ניתן לראות שהאיבר הראשון בסוגריים הוא מספר בצורה 1/m2, כאשר m=1, 2, 3.. הוא מספר שלם. הוא משקף את מספר המסלול הנייח שאליו עובר האלקטרון מרמת אנרגיה גבוהה יותר n.
איך הם חוקרים ספקטרום בטווח הנראה לעין?
כבר נאמר לעיל שמנסרות זכוכית משמשות לכך. זה נעשה לראשונה על ידי אייזק ניוטון בשנת 1666, כאשר הוא פירק את האור הנראה למערכת של צבעי הקשת. הסיבה לאשר השפעה זו נצפית נעוצה בתלות של מקדם השבירה באורך הגל. לדוגמה, אור כחול (גלים קצרים) נשבר חזק יותר מאור אדום (גלים ארוכים).
שימו לב שבמקרה הכללי, כאשר קרן של גלים אלקטרומגנטיים נעה בכל תווך חומרי, הרכיבים בתדר גבוה של קרן זו תמיד נשברים ומפוזרים חזק יותר מאלה בתדר נמוך. דוגמה מצוינת היא הצבע הכחול של השמים.
אופטיקת עדשה וספקטרום גלוי
בעבודה עם עדשות, נעשה שימוש לעתים קרובות באור השמש. מכיוון שמדובר בספקטרום רציף, כאשר עוברים דרך העדשה, התדרים שלו נשברים בצורה שונה. כתוצאה מכך, המכשיר האופטי אינו מסוגל לאסוף את כל האור בנקודה אחת, ומופיעים גוונים ססגוניים. אפקט זה ידוע בשם סטייה כרומטית.
הבעיה המצוינת של אופטיקה עדשות נפתרת בחלקה על ידי שימוש בשילוב של משקפיים אופטיים במכשירים מתאימים (מיקרוסקופים, טלסקופים).
