Мы познакомились с постулатами Бора, которые объяснили, почему атомы излучают и поглощают свет только определённых частот. Теперь рассмотрим эти процессы более подробно и познакомимся с понятием кванта и линейчатыми спектрами.

Кванты света

В начале XX века немецкий физик Макс Планк выдвинул гипотезу о том, что энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами.

Квант — это минимальная порция энергии, которую может излучить или поглотить физическая система.

Энергия кванта пропорциональна частоте излучения:

где:

• E — энергия кванта,
• h — постоянная Планка (h ≈ 6,63 · 10⁻³⁴ Дж·с),
• ν — частота излучения.

Квант света называется фотоном. Фотон — это элементарная частица, которая не имеет массы покоя и всегда движется со скоростью света в вакууме.

Испускание света атомом

Согласно третьему постулату Бора, атом излучает свет при переходе из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Когда атом находится в возбуждённом состоянии (то есть его электрон находится на более высокой орбите с большей энергией), он стремится перейти в основное состояние (с наименьшей энергией). При этом переходе разность энергий испускается в виде кванта света (фотона).

где E_k — энергия начального (возбуждённого) состояния, E_n — энергия конечного (более низкого) состояния.

Поскольку энергии стационарных состояний атома имеют строго определённые (дискретные) значения, то и энергии испускаемых фотонов также строго определены. Это означает, что атом может излучать свет только определённых частот.

Поглощение света атомом

Обратный процесс происходит, когда атом находится в основном состоянии и поглощает свет. Атом может поглотить фотон только в том случае, если его энергия в точности равна разности энергий двух стационарных состояний:

При поглощении фотона атом переходит в возбуждённое состояние (электрон переходит на более высокую орбиту). Если энергия падающего фотона не соответствует разности энергий каких-либо двух уровней, то атом его не поглощает.

Линейчатые спектры

Если пропустить излучение атомов через спектральный прибор (например, призму или дифракционную решётку), то мы увидим не непрерывную радужную полосу, а отдельные яркие линии на тёмном фоне. Такие спектры называются линейчатыми.

Линейчатый спектр — это спектр, состоящий из отдельных резких линий определённой частоты (длины волны).

Различают два типа линейчатых спектров:

Спектры испускания

Это спектры, которые излучают возбуждённые атомы. Они представляют собой яркие цветные линии на тёмном фоне. Каждая линия соответствует определённому переходу электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий.

Спектры поглощения

Это спектры, которые получаются при прохождении белого света через вещество. Атомы вещества поглощают свет определённых частот, соответствующих их энергетическим переходам. В результате в непрерывном спектре белого света появляются тёмные линии на тех местах, где произошло поглощение.

Замечательным является тот факт, что линии поглощения данного элемента располагаются точно на тех же местах, где находятся линии испускания этого же элемента. Это означает, что атомы поглощают свет тех же частот, которые они способны излучать.

Спектральный анализ

Явление линейчатых спектров лежит в основе спектрального анализа — метода определения химического состава вещества по его спектру.

Каждый химический элемент имеет свой уникальный набор спектральных линий, который является его «визитной карточкой». По наличию тех или иных линий в спектре можно определить, какие элементы входят в состав исследуемого образца.

Спектральный анализ позволяет обнаруживать элементы даже в ничтожно малых количествах (до 10⁻⁸ г). Именно с помощью этого метода были открыты новые химические элементы, например гелий (сначала в спектре Солнца, а затем на Земле), цезий, рубидий и другие.