Постулаты Бора. Спектры. Лазеры

Выполнила: ученица 11 «А» класса
Карпова Ирина
Проверила: учитель физики
Рыжкова Т.П.

Нильс Бор
1885-1962

Первый постулат Бора: атомная система может находится только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарном состоянии атом не излучает.

Постулат находится в противоречии с классической механикой (Энергия движущихся электронов может быть любой), с электродинамикой Максвелла, т.к. допускает возможность ускоренного движения без излучения электромагнитных волн.

Второй постулат Бора: излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ek в стационарное состояние с меньшей энергией En. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

При поглощении света атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией, при излучении – из стационарного с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией.
Второй постулат противоречит электродинамике Максвелла, т.к. частота излученного света свидетельствует не об особенностях движения электрона, а лишь об изменении энергии атома.

Поглощение света – процесс, обратный излучению.
Атом, поглощая свет, переходит из низших энергетический состояний в высшие. При этом он поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает , переходя из высших энергетических состояний в низшие.

Бор рассматривал простейшие круговые орбиты.

- потенциальная энергия взаимодействия электрона с ядром в абсолютной системе единиц. e – модуль заряда электрона, r – расстояние от электрона до ядра.

Произвольная постоянная, с точностью до которой определяется потенциальная энергия, принята равной нулю.
Wp<0, так как взаимодействующие частицы имеют заряды противоположных знаков.
E=Eкин+Wp – полная энергия атома.

- центростремительное ускорение по второму закону Ньютона сообщает электрону на орбите кулоновская сила.

Из первого постулата Бора энергия может принимать только определенное значение En.
Электрон движется по круговой орбите, то

mvr – момент импульса в механике

- Постоянная Планка.

Бор предположил, что произведение модуля импульса на радиус орбиты кратно постоянной Планка.

Радиусы боровских орбит меняются дискретно с изменением числа n.
Значения электронных орбит определяют:
Наименьший радиус орбиты:

Размеры атома определяются квантовыми законами (радиус пропорционален квадрату постоянной Планка). Классическая теория не может объяснить, почему атом имеет размеры порядка 10-8см.

- дискретные (прерывистые) значения

энергий стационарных состояний атома (энергетические уровни).

Атом может находится сколь угодно долго.
Чтобы ионизировать атом водорода, ему нужно сообщить энергию 13,53 эВ – энергия ионизации.
Возбуждающий атом: n=2, 3, 4, …
τ = 10-8с – время жизни в возбужденном состоянии. За время τ электрон успевает совершить около ста миллионов оборотов вокруг ядра.

Возможные частоты излучения атома водорода:

где

- постоянная Ридберга R = 109737,316 см-1.

Теория Бора приводит к количественному согласию с экспериментом для значений частот, излучаемых атомом водорода. Все частоты излучений атома водорода образуют ряд серий, каждому из которых соответствует определенное значение числа n и различные значения k > n.

Спектры излучения

Распределение энергии по частотам
(спектральная плотность интенсивности излучения)

Дают тела, находящиеся в твердом, жидком состоянии, а также плотные газы.
Чтобы получить, надо нагреть тело до высокой температуры.
Характер спектра зависит не только от свойств отдельных излучающих атомов, но и от взаимодействия атомов друг с другом.
В спектре представлены волны всех длин и нет разрывов.
Непрерывный спектр цветов можно наблюдать на дифракционной решетке. Хорошей демонстрацией спектра является природное явление радуги.

Дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии (атомы практически не взаимодействуют друг с другом).
Изолированные атомы данного химического элемента излучают волны строго определенной длины.
Для наблюдения используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.
При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются.

Спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками.
Каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий.
Создаются молекулами, не связанными или слабосвязанными друг с другом.
Для наблюдения используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появятся темные линии.
Газ поглощает наиболее интенсивно свет тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии.

Темные линии на фоне непрерывного спектра – это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Серия Лаймана – открыл в 1906 г. Теодор Лайман.
Данная серия образуется при переходах электронов с возбуждённых энергетических уровней на первый в спектре излучения и с первого уровня на все остальные при поглощении.
Серия Бальмера – открыл в 1885 г. Иоганн Бальмер. Данная серия образуется при переходах электронов с возбужденных энергетических уровней на второй в спектре излучения и со второго уровня на все вышележащие уровни при поглощении.
Серия Пашена – открыл в 1908 г. Фридрих Пашен.
Данная серия образуется при переходах электронов с возбужденных энергетических уровней на третий в спектре излучения и с третьего уровня на все вышележащие уровни при поглощении.

Густав Роберт Кирхгоф
1824 - 1887

Роберт Вильгельм Бунзен
1811 - 1899

Спектральный анализ – метод определения химического состава вещества по его спектру. Разработан в 1859 году немецкими учеными Г. Р. Кирхгофом и Р. В. Бунзеным.

Длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов.
Можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, даже если масса вещества меньше 10-10г.
Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет.
Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния.

Открываются новые элементы: рубидий, цезий и др;
Узнали химический состав Солнца и звезд;
Определяют химический состав руд и минералов;
Метод контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии.
Состав сложных смесей анализируется по их молекулярным спектрам.

1917 г. А. Эйнштейн:
Механизмы испускания света веществом

Спонтанное (некогерентное)

Вынужденное (когерентное)

А.М. Прохоров

Н.Г. Басов

Ч. Таунс

В 1954 г. Впервые создали генераторы электромагнитного излучения, использующие механизм вынужденного перехода.

Т. Мейман

В 1960 г. создал лазер в оптическом диапазоне работающий на рубине.

Газовые
гелий-неоновый
аргоновый
криптоновый
ксеноновый
азотный
втористо-водородный
кислородно-йодный
углекислотный (CO2)
на монооксиде углерода (CO)
эксимерный

На парах металлов
-гелий-кадмиевый
-гелий-ртутный
-гелий-селеновый
-на парах меди
-на парах золота

Твердотельные
-рубиновый
-алюмо-иттриевые
-на фториде иттрия-лития
-на ванадате иттрия
-на неодимовом стекле
-титан-сапфировые
-александритовый
-оптоволоконный
-на фториде кальция

Другие типы
-полупроводниковый
лазерный диод
-на красителях
-на свободных электронах
-псевдо-никелево-самариевый

Применение лазеров

Наука

Вооружение

Медицина

Промышленность и быт

Спектроскопия

Измерение расстояний

Фотохимия

Намагничивание

Интерферометрия

Голография

Охлаждение

Термоядерный синтез

«Звездные войны»

Целеуказатели

Лазерный прицел

Лазерное наведение

Скальпель

Точечная свара тканей

Хирургия

Диагностика

Удаление опухолей

Резка, сварка, маркировка, гравировка

Фотолитография, считыватель штрихкода

Манипуляции микрообъектами

Лазерное оружие

CD, DVD-проигрыватели, принтеры, дисплеи

Оптическая связь, системы навигации (л.гироскоп)