ספקטרום אטומי

הספקטרום האטומי הוא מושג שניתן להשתמש בו לקביעת הרכב החומר.

 מבוא 
ממוזער|באנימציה שלעיל תוכלו לראות כי שני השדות החשמליים והמגנטיים נעים בניצב זה לזה בכיוון x. המרחק בין שתי פסגות גל נקרא אורך הגל. האיור הבא מראה את אורך הגל.
ניתן להפיץ אנרגיה בסביבה ואקום או חומרית בצורה של גלים אלקטרומגנטיים. קרינה אלקטרומגנטית היא גל רוחבי בו שני שדות חשמליים ומגנטיים נעים בניצב זה לזה ומתנודדים בסביבה.

ככל שאורך הגל קצר יותר, כך הגל הוא קומפקטי יותר והוא נושא יותר אנרגיה. אורך הגל מבדיל בין אור בצבעים שונים. כמובן שתדירות היא גם כמות שניתן להשתמש בה לביטוי דחיסת גל. למעשה, תדר ואורך גל קשורים לתמונה. הספקטרום האלקטרומגנטי הוא הטווח של כל אורכי הגל והתדרים האפשריים בהם גל אלקטרומגנטי יכול להתפשט.

על פי התיאור המכני הקוונטי של האלקטרון, המבטא את המושג "דואליות של חלקיקי גל", אף שתופעת האלקטרומגנטיות באור מכונה גל, בחלק מהמקרים היא מכונה גם חלקיק.

מקס פלאנק, פיזיקאי גרמני, בזמן שלמד את קרינת הגוף השחור בשנת 1900, הבין שככל שתדירות הגל עולה בהתמדה, האנרגיה הקורנת שהתקבלה ממקור הקרינה לא עלתה בהתמדה. למעשה, הגידול באנרגיה מתרחש בשלבים או מה שמכונה קוונטים. במילים אחרות, חבילת אנרגיה של המערכת היא כמו אטום של מסה.

בשנת 1905 פרסם אלברט איינשטיין מאמר בו ראה אור כחבילות אנרגיה הנקראות פוטונים. באמצעות תיאור האור שלו, הוא תיאר גם תופעה הנקראת האפקט הפוטואלקטרי. גילוי הפוטונים הצדיק את הצעד (או הגידול הקוונטי) של אנרגיה קורנת.

 תיקונים ויחידות 
הקבועים המשמשים במאמר זה הם כדלקמן:
 λ: אורך הגל של האור
 n: תדירות האור
 n: מספר קוונטי של רמת אנרגיה
 E: רמת אנרגיה

 יחידות 
אורך הגל או המרחק בין שתי פסגות גל מתבטאים בדרך כלל במטרים. כמובן, בגלל גודלה הקטן של כמות זו, בחלק מהמקרים היא מתבטאת במונחים של יחידות אחרות כמו מיקרומטר או ננומטרים. מספר הפסגות של הגל שעובר בשנייה אחת נקרא גם תדר הגל.

יחידת SI היא תדר גל הרץ, המסומן בדרך כלל בסמל הרץ. תדירות מתבטאת במונחים של 1s. מהירות האור בחלל ריק נחשבת גם למספר קבוע השווה 2.99792458 × 108 ms - 1. הקשר בין מהירות האור, אורך הגל והתדר הוא כדלקמן.

νλ = ג

האנרגיה של קרינה אלקטרומגנטית בתדר מסוים מתבטאת גם בג'אול והיא מתקבלת מהמשוואה הבאה.

ev = h

ב ביחס הנ"ל, h נקרא קבוע פלנק ואת הערך שלו שווה h = 6 2 62606876 × 10-34 י.כ. מראה את הקשר בין האנרגיה הנישאת על ידי חבילה קוונטית (פוטון אחד); כך שכמות האנרגיה הזו קטנה מאוד; לכן, נעשה שימוש גם ביחידה אחרת הנקראת אלקטרונים וולט.

1V מתייחס לכמות האנרגיה הקינטית שמשיג אלקטרון כתוצאה מהאצה בהפרש פוטנציאלי של 1V. למעשה, וולט אלקטרונים אחד שווה ל:

1e.v = 1. 60,218 × 10-19 C × 1V = 1. 60,218 × 10-19 J

 ספקטרוסקופיה 
כאמור לעיל, ספקטרום הוא טווח של תדרים ואורכי גל. על ידי העברת אור דרך הפריזמה, ניתן לחלק אותו לחלקים עם ספקטרום ספציפי. אמנם שיטה זו מאוד מתחילה, אך יעילה.

 אטומים מגיבים לאור 
כאמור באורביטל, אלקטרונים יכולים להיות ממוקמים רק באזור ספציפי הנקרא קליפה סביב האטום. לכל קליפה יש רמת אנרגיה שמסומנת במספר n. מכיוון שלא ניתן לאתר את האלקטרון בין רמות האנרגיה שצוינו, כך למספר n יש גם ערך חיובי ואמיתי (..., n = 1,2,3).

לאלקטרון הקרוב ביותר לגרעין האטום n = 1 ויש לו גם את האנרגיה הנמוכה ביותר. אומרים שהאלקטרון הזה נמצא במצב קרקע. אנרגיית האלקטרונים ברמת האנרגיה n מתוארת באמצעות המשוואה הבאה.

ביחס שלעיל, RH הוא קבוע שערכו שווה ל־2.179 × 10−18 J ו-n מייצג את רמת האנרגיה של האלקטרון. איור 1 להלן מציג את האלקטרון, הקליפה ותהליך פיזור וקליטת אנרגיית האור.

כאשר האור זורח על אטום, האלקטרונים שלו מקבלים פוטונים, שמשנים את רמת האנרגיה שלהם ונוסעים לשכבות רחוקות יותר. ככל שהאלקטרון מקבל יותר אנרגיה, כך משטח האלקטרון משתנה לשכבות הרחוקות יותר.

באופן דומה, אלקטרון יכול לאבד אנרגיה על ידי אובדן פוטונים ולשנות רמות לרמות נמוכות יותר. שינויים ברמות האנרגיה של האלקטרונים עקב אובדן או לכידת פוטונים הוצעו לראשונה בצורה של המודל האטומי בורון. האנרגיה שצבר או איבד האלקטרון בעת שינוי פני השטח שווה

ביחס לעיל, ni מייצג את רמת האנרגיה הראשונית של האלקטרון ו-nf מייצג את רמת האנרגיה הסופית של האלקטרון. ניתן להשיג את תדר הפוטון שגורם לשינוי פני האלקטרון באמצעות היחס νphoton = Ei - Efh. ביחס לעיל Ei היא האנרגיה הראשונית של האלקטרון ו-Ef היא האנרגיה הסופית שלו. האיור שלהלן מציג את האלקטרון, הגרעין, הקליפה ותהליך הדחיית הקליטה והקליטה על ידי האלקטרון.

מכיוון שאלקטרון יכול להיות ברמה מסוימת של אנרגיה, הוא יכול לפלוט פוטונים בטווח מסוים. זו הסיבה שנוצרים קווים ספקטרליים.

 שורות פרסום 
כאמור לעיל, כאשר אלקטרון עובר מרמת אנרגיה גבוהה לרמת אנרגיה נמוכה יותר, הוא פולט פוטון באורך גל ותדר מסוימים. כאשר קבוצה של אלקטרונים פולטים פוטונים באותו אורך גל, נוצר סט קווים באותו אורך גל. שקול את האיור הבא.

משמאל נורת מימן שממריצה זרם חשמלי. בשלב הבא, האור מהעוררה מועבר דרך הפריזמה וכתוצאה מכך מחולק לאורות בתדרים שונים. מכיוון שתדרי האור קשורים לרמות אנרגיה שונות, ניתן להשיג את קווי הספקטרום של אטום המימן באמצעות המשוואה שגילה יוהאן באלמר. משוואה זו מוצגת להלן.

ביחס זה, n הוא מספר גדול מ-2. הסיבה לכך היא שהקשר שלעיל נכון לגבי האור הנראה ולתדרים אולטרה סגולים מסוימים. האיור הבא מציג את קווי באלמר לאטום מימן.

 שימוש בספקטרום האטומי 
לספקטרום האטומי יש יישומים מעשיים רבים. למעשה, מכיוון שתדירות הפליטה שונה עבור כל אלמנט, תכונה זו משמשת כטביעת אצבע עבור האטומים. כמה אטומים התגלו באמצעות ניתוח ספקטרום אטומי. מדענים, למשל, נתקלו בחומרים חדשים בעלי ספקטרום אטומי שונה.

באמצעות ניתוח ספקטרום אטומי הם גילו שהם נתקלו בחומרים חדשים. מאוחר יותר נקרא יסוד זה הליום. אסטרונומים יכולים גם להשתמש במושג הספקטרום האטומי כדי לחזות את טיבם של עצמים רחוקים. להלן דוגמאות להבנת טוב יותר את המושגים הכמותיים.

 דוגמה 1 
מצא את תדר הקרינה המתאים לרמת האנרגיה n = 3 בעזרת משוואת באלמר.

למעלה, אנו מבטאים את משוואת Ballmer כ- ν = 3.2881 × 1015 s - 1 (122-1n2). על ידי הצבת n = 3 ביחס שלעיל יש לנו:

מתקבל הערך של ν = 4.5668s - 1.

 דוגמה 2 
מה התדירות של האור הנפלט כאשר האלקטרון יורד מ-n = 5 לרמת האנרגיה n = 2?

כדי להשיג את תדירות האור הנפלט, אנו משתמשים ביחס אפוטון = RH [(1ni) 2– (1ni) 2]. כתוצאה מהאנרגיה הנפלטת כתוצאה מקפיצה זו, רמת האנרגיה שווה ל:

כעת באמצעות היחס ν = E / h, כמות התדר של האור הנפלט שווה ל:

. Ν = 6 905 × 1014 s - 1

 סקירה כללית 
כידוע, ניוטון יצר לראשונה את ספקטרום האור הלבן על ידי העברת אור השמש דרך הפריזמה. ניוטון הראה כי אור לבן הוא תערובת של צבעים שונים, וטווח אורכי הגל של צבעים אלה נע בין 0.4 מיקרומטר (סגול) ל-0.7 מיקרומטר (אדום). ספקטרום האור הלבן הוא ספקטרום רציף. באותו אופן, ניתן לזהות את הספקטרום של כל אור על ידי פיזור בפריזמה. אך מה הסיבה שקווים שונים נראים בספקטרום האטומי?

 קווי ספקטרום 
הספקטרום האטומי קשור ישירות לרמות האנרגיה של האטום. כל קו ספקטרלי תואם למעבר ספציפי בין שתי רמות אנרגיה של אטום. מה שחשוב בספקטרוסקופיה, אם כן, הוא לקבוע את רמות האנרגיה של אטום על ידי מדידת אורכי הגל של הספקטרום הליניארי הנפלט על ידי אטומים. רמת האנרגיה הנמוכה ביותר, מצב הקרקע וכל הרמות הגבוהות יותר נקראים מצבי עירור. כאשר אטום עובר ממצב נרגש גבוה יותר למצב נרגש נמוך יותר. פוטון המתאים לקו ספקטרלי נפלט.

 ספקטרום פליטה 
אם אובייקט יכול לייצר אור ואנחנו מעבירים את האור המיוצר דרך פריזמה, נקבל ספקטרום הנקרא ספקטרום הפליטה. אם צבעי הספקטרום שנוצר קשורים זה בזה, זה נקרא ספקטרום הפליטה המחבר, ואם יש מרחק ביניהם, זה נקרא ספקטרום הפליטה הדיסקרטי או הליניארי. קחו למשל מנורת קיטור דקה מאוד. מנורה זו היא בצורת צינור זכוכית דק בו יש גז מדולל בלחץ נמוך. ישנן שתי אלקטרודות הנקראות הקתודה והאנודה בשני קצות הצינור. אם מופעל מתח גבוה בין שתי האלקטרודות, אטומי הגז שבתוך המנורה יתחילו לפלוט אור. אם אדי זה קשור לאדי כספית, פליטה זו היא כחול אינדיגו. אם אנו מעבירים את האור הזה דרך הפריזמה ויוצרים את הספקטרום שלה, אנו רואים שספקטרום זה אינו רציף. הוא מורכב מכמה קווים צבעוניים נפרדים בלבד עם אורכי גל ספציפיים.

 ספקטרום בליעה 
בשנת 1814 גילה הפיזיקאי הגרמני פראונהופר כי אם נסתכל מקרוב על ספקטרום השמש, נראה קווים כהים בספקטרום הרציף שלה. זה מצביע על כך שאורכי גל מסוימים אינם קיימים באור המגיע מהשמש לאדמה, ובמקום זה קווים כהים (שחורים) נראים בספקטרום השמש הרציף. כעת אנו יודעים כי גזי היסודות באטמוספירה של השמש סופגים חלק מאורכי הגל הנפלטים על ידי השמש, והיעדרם בספקטרום הרציף של השמש נראה כקווים כהים. באמצע המאה התשע עשרה התברר שאם אור לבן יעבור דרך אדי היסוד ואז ייווצר ספקטרום, הוא יופיע בספקטרום הקווים הכהים שנוצר. קווים אלה נספגים באטומי קיטור.

 ספקטרום אטומי מנקודת המבט של הפיזיקה הקלאסית 
קל להבין את המנגנון שבאמצעותו אטומים קולטים ופולטים אור מנקודת מבטה של הפיזיקה הקלאסית. מכיוון שעל פי התיאוריות הקלאסיות, אטום פולט אור אם האלקטרונים שלו מונעים בצורה כמו התנגשות באטומים אחרים או בשדה חשמלי, וכתוצאה מכך אלקטרונים רוטטים לייצר אנרגיה ויוצרים גלים אלקטרומגנטיים, כלומר פולטים אור. אך מדוע האטומים של כל היסודות אינם פולטים גלים אלקטרומגנטיים בעלי אורך גל זהה, ומדוע לכל יסוד יש אורך גל משלו, אינה מוצדקת מנקודת מבטה של הפיזיקה הקלאסית.

לגבי ספיגת האור, מנקודת מבט הפיזיקה הקלאסית, ניתן לומר שכאשר האור זורח על אטום, תנודת השדה החשמלי הנגרמת על ידי האור המתקפל גורמת לאלקטרונים של האטום לרטוט ולקלוט את האירוע. אוֹר; אך שוב, בראייה זו, אין הסבר משכנע מדוע כל יסוד קולט רק את אורכי הגל הספציפיים המאפיינים את אותו אלמנט ואינו קולט את שאר אורכי הגל? לא קיים.

 יחסי ריידברג - באלמר 
הספקטרום האטומי של מימן היה הראשון שנותח במלואו. עד 1885 מדד אנדרס יונאס אונגסטרם במדויק את אורכי הגל של ארבעה קווים בספקטרום אטום המימן. יוהאן יאקוב בלמר, פיזיקאי שווייצרי, בחן את המדידות הללו והראה שאפשר להשיג את אורכי הגל של הספקטרום הזה בדיוק רב. הצלחתו של בלמר למצוא קשר לקווי ספקטרום אטום המימן באזור הגלוי הביאה למאמצים נוספים למצוא קווים אחרים בספקטרום אטום המימן. העבודה העיקרית בחיפוש אחר הספקטרום המלא של אטומי מימן נעשתה על ידי יוהנס רידברג בסביבות 1850.

קישורים חיצוניים

 ספקטרוסקופיה באסטרונומיה - מציאת הרכב הכוכבים
הערות שוליים

*
קטגוריה:כימיה אנליטית
קטגוריה:כימיה פיזיקלית
קטגוריה:תחומים בפיזיקה
קטגוריה:אסטרונומיה תצפיתית