लाइन स्पेक्ट्रा। प्रकाशिकी, भौतिकी (ग्रेड 8)। रेखा अवशोषण और उत्सर्जन स्पेक्ट्रा

2024 लेखक: Angel Austin | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-12-17 05:27

लाइन स्पेक्ट्रा - यह शायद उन महत्वपूर्ण विषयों में से एक है जिन पर प्रकाशिकी खंड में 8वीं कक्षा के भौतिकी पाठ्यक्रम पर विचार किया जाता है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि यह हमें परमाणु संरचना को समझने की अनुमति देता है, साथ ही इस ज्ञान का उपयोग हमारे ब्रह्मांड का अध्ययन करने के लिए करता है। आइए लेख में इस मुद्दे पर विचार करें।

विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम की अवधारणा

सबसे पहले, आइए बताते हैं कि लेख किस बारे में होगा। हर कोई जानता है कि हम जो सूरज की रोशनी देखते हैं वह विद्युत चुम्बकीय तरंगें हैं। किसी भी तरंग को दो महत्वपूर्ण मापदंडों की विशेषता होती है - इसकी लंबाई और आवृत्ति (इसका तीसरा, कोई कम महत्वपूर्ण गुण आयाम नहीं है, जो विकिरण की तीव्रता को दर्शाता है)।

विद्युत चुम्बकीय विकिरण के मामले में, दोनों पैरामीटर निम्नलिखित समीकरण में संबंधित हैं: λν=c, जहां ग्रीक अक्षर λ (लैम्ब्डा) और ν (nu) आमतौर पर क्रमशः तरंग दैर्ध्य और इसकी आवृत्ति को दर्शाते हैं, और c प्रकाश की गति है। चूंकि उत्तरार्द्ध निर्वात के लिए एक स्थिर मान है, विद्युत चुम्बकीय तरंगों की लंबाई और आवृत्ति एक दूसरे के व्युत्क्रमानुपाती होती है।

भौतिकी में विद्युत चुम्बकीय वर्णक्रम स्वीकार किया जाता हैविभिन्न तरंग दैर्ध्य (आवृत्तियों) के सेट को नाम दें जो संबंधित विकिरण स्रोत द्वारा उत्सर्जित होते हैं। यदि पदार्थ अवशोषित करता है, लेकिन तरंगों का उत्सर्जन नहीं करता है, तो एक सोखना या अवशोषण स्पेक्ट्रम की बात करता है।

विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम क्या हैं?

सामान्य तौर पर, उनके वर्गीकरण के लिए दो मानदंड हैं:

1. विकिरण आवृत्ति द्वारा।
2. आवृत्ति वितरण पद्धति के अनुसार।

हम इस लेख में प्रथम प्रकार के वर्गीकरण पर विचार नहीं करेंगे। यहां हम केवल संक्षेप में कहेंगे कि उच्च आवृत्तियों की विद्युत चुम्बकीय तरंगें होती हैं, जिन्हें गामा विकिरण (>10²⁰ हर्ट्ज) और एक्स-रे (10^{18) कहा जाता है। -10 19} हर्ट्ज)। पराबैंगनी स्पेक्ट्रम पहले से ही कम आवृत्तियों (10¹⁵-10¹⁷ Hz) है। दृश्य या ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम आवृत्ति रेंज 10¹⁴ हर्ट्ज में निहित है, जो 400 माइक्रोन से 700 माइक्रोन तक की लंबाई के एक सेट से मेल खाती है (कुछ लोग थोड़ा "व्यापक" देखने में सक्षम हैं: 380 µm से 780 µm). कम आवृत्तियां इन्फ्रारेड या थर्मल स्पेक्ट्रम के साथ-साथ रेडियो तरंगों से मेल खाती हैं, जो पहले से ही कई किलोमीटर लंबी हो सकती हैं।

बाद में लेख में, हम दूसरे प्रकार के वर्गीकरण पर करीब से नज़र डालेंगे, जो ऊपर दी गई सूची में उल्लिखित है।

रेखा और निरंतर उत्सर्जन स्पेक्ट्रा

बिल्कुल कोई भी पदार्थ, अगर गरम किया जाता है, तो विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उत्सर्जन करेगा। वे कौन-सी आवृत्तियाँ और तरंगदैर्ध्य होंगी? इस प्रश्न का उत्तर अध्ययनाधीन पदार्थ के एकत्रीकरण की स्थिति पर निर्भर करता है।

तरल और ठोस, एक नियम के रूप में, आवृत्तियों का एक निरंतर सेट, यानी उनके बीच का अंतर इतना छोटा है कि हम विकिरण के निरंतर स्पेक्ट्रम के बारे में बात कर सकते हैं। बदले में, यदि कम दबाव वाली परमाणु गैस को गर्म किया जाता है, तो यह कड़ाई से परिभाषित तरंग दैर्ध्य का उत्सर्जन करते हुए "चमक" करना शुरू कर देगी। यदि बाद वाले को फोटोग्राफिक फिल्म पर विकसित किया जाता है, तो वे संकीर्ण रेखाएं होंगी, जिनमें से प्रत्येक एक विशिष्ट आवृत्ति (तरंग दैर्ध्य) के लिए जिम्मेदार होती है। इसलिए, इस प्रकार के विकिरण को रेखा उत्सर्जन स्पेक्ट्रम कहा जाता था।

रेखा और निरंतर के बीच एक मध्यवर्ती प्रकार का स्पेक्ट्रम होता है, जो आमतौर पर एक परमाणु गैस के बजाय एक आणविक का उत्सर्जन करता है। यह प्रकार अलग-अलग बैंड हैं, जिनमें से प्रत्येक, जब विस्तार से जांच की जाती है, तो अलग-अलग संकीर्ण रेखाएं होती हैं।

लाइन अवशोषण स्पेक्ट्रम

पिछले पैराग्राफ में जो कुछ कहा गया था वह पदार्थ द्वारा तरंगों के विकिरण को संदर्भित करता है। लेकिन इसमें अवशोषण भी होता है। आइए सामान्य प्रयोग करें: आइए एक ठंडा डिस्चार्ज परमाणु गैस लें (उदाहरण के लिए, आर्गन या नियॉन) और एक गरमागरम दीपक से सफेद रोशनी को इसके माध्यम से गुजरने दें। उसके बाद, हम गैस से गुजरने वाले प्रकाश प्रवाह का विश्लेषण करते हैं। यह पता चला है कि यदि यह प्रवाह अलग-अलग आवृत्तियों में विघटित हो जाता है (यह एक प्रिज्म का उपयोग करके किया जा सकता है), तो काले बैंड देखे गए निरंतर स्पेक्ट्रम में दिखाई देते हैं, जो इंगित करते हैं कि इन आवृत्तियों को गैस द्वारा अवशोषित किया गया था। इस मामले में, एक लाइन अवशोषण स्पेक्ट्रम की बात करता है।

XIX सदी के मध्य में। गुस्तावी नामक जर्मन वैज्ञानिककिरचॉफ ने एक बहुत ही रोचक संपत्ति की खोज की: उन्होंने देखा कि निरंतर स्पेक्ट्रम पर जहां काली रेखाएं दिखाई देती हैं, वे किसी दिए गए पदार्थ के विकिरण की आवृत्तियों के बिल्कुल अनुरूप होती हैं। वर्तमान में, इस विशेषता को किरचॉफ का नियम कहा जाता है।

बामर, लिमन और पाशेन श्रृंखला

19वीं शताब्दी के अंत से, दुनिया भर के भौतिकविदों ने यह समझने की कोशिश की है कि विकिरण का रेखा स्पेक्ट्रा क्या है। यह पाया गया कि किसी दिए गए रासायनिक तत्व का प्रत्येक परमाणु किसी भी परिस्थिति में समान उत्सर्जकता प्रदर्शित करता है, अर्थात यह केवल विशिष्ट आवृत्तियों की विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उत्सर्जन करता है।

इस मुद्दे का पहला विस्तृत अध्ययन स्विस भौतिक विज्ञानी बामर द्वारा किया गया था। अपने प्रयोगों में, उन्होंने उच्च तापमान तक गर्म हाइड्रोजन गैस का इस्तेमाल किया। चूंकि हाइड्रोजन परमाणु सभी ज्ञात रासायनिक तत्वों में सबसे सरल है, इसलिए उस पर विकिरण स्पेक्ट्रम की विशेषताओं का अध्ययन करना सबसे आसान है। बामर को एक अद्भुत परिणाम मिला, जिसे उन्होंने निम्न सूत्र के रूप में लिखा:

1/λ=आर_एच(1/4-1/एन²)।

यहाँ λ उत्सर्जित तरंग की लंबाई है, R_H - कुछ स्थिर मान, जो हाइड्रोजन के लिए 1 के बराबर है, 09710⁷ m ^-1, n 3 से शुरू होने वाला एक पूर्णांक है, अर्थात 3, 4, 5 आदि।

सभी लंबाई, जो इस सूत्र से प्राप्त होती हैं, मनुष्यों को दिखाई देने वाले ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम के भीतर होती हैं। हाइड्रोजन के लिए मानों की इस श्रृंखला को स्पेक्ट्रम कहा जाता हैबामर।

बाद में, उपयुक्त उपकरण का उपयोग करते हुए, अमेरिकी वैज्ञानिक थिओडोर लिमन ने पराबैंगनी हाइड्रोजन स्पेक्ट्रम की खोज की, जिसका वर्णन उन्होंने बामर के समान सूत्र के साथ किया:

1/λ=R_H(1/1-1/n²)।

आखिरकार, एक और जर्मन भौतिक विज्ञानी, फ्रेडरिक पासचेन ने अवरक्त क्षेत्र में हाइड्रोजन के उत्सर्जन के लिए एक सूत्र प्राप्त किया:

1/λ=R_H(1/9-1/n²)।

फिर भी, 1920 के दशक में केवल क्वांटम यांत्रिकी का विकास ही इन सूत्रों की व्याख्या कर सकता है।

रदरफोर्ड, बोहर और परमाणु मॉडल

20वीं शताब्दी के पहले दशक में, अर्नेस्ट रदरफोर्ड (न्यूजीलैंड मूल के ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी) ने विभिन्न रासायनिक तत्वों की रेडियोधर्मिता का अध्ययन करने के लिए कई प्रयोग किए। इन अध्ययनों के लिए धन्यवाद, परमाणु के पहले मॉडल का जन्म हुआ। रदरफोर्ड का मानना था कि पदार्थ के इस "अनाज" में विद्युत रूप से सकारात्मक नाभिक और इसकी कक्षाओं में घूमने वाले नकारात्मक इलेक्ट्रॉन होते हैं। कूलम्ब बल समझाते हैं कि परमाणु "विघटित क्यों नहीं होता", और इलेक्ट्रॉनों पर कार्य करने वाले केन्द्रापसारक बल यही कारण हैं कि बाद वाले नाभिक में नहीं गिरते हैं।

इस मॉडल में एक को छोड़कर सब कुछ तार्किक लगता है। तथ्य यह है कि जब एक घुमावदार प्रक्षेपवक्र के साथ चलते हैं, तो किसी भी आवेशित कण को विद्युत चुम्बकीय तरंगों का विकिरण करना चाहिए। लेकिन एक स्थिर परमाणु के मामले में, यह प्रभाव नहीं देखा जाता है। तब पता चलता है कि मॉडल ही गलत है?

इसमें आवश्यक संशोधन किए गएएक अन्य भौतिक विज्ञानी डेन नील्स बोहर हैं। इन संशोधनों को अब उनके अभिधारणाओं के रूप में जाना जाता है। बोहर ने रदरफोर्ड के मॉडल में दो प्रस्ताव पेश किए:

• इलेक्ट्रॉन एक परमाणु में स्थिर कक्षाओं में चलते हैं, जबकि वे फोटॉन का उत्सर्जन या अवशोषण नहीं करते हैं;
• विकिरण (अवशोषण) की प्रक्रिया तभी होती है जब एक इलेक्ट्रॉन एक कक्षा से दूसरी कक्षा में जाता है।

स्थिर बोहर कक्षाएँ क्या हैं, हम अगले पैराग्राफ में विचार करेंगे।

ऊर्जा स्तरों का परिमाणीकरण

एक परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन की स्थिर कक्षाएँ, जिसके बारे में बोहर ने पहली बार बात की थी, इस कण-तरंग की स्थिर क्वांटम अवस्थाएँ हैं। इन राज्यों को एक निश्चित ऊर्जा की विशेषता है। उत्तरार्द्ध का अर्थ है कि परमाणु में इलेक्ट्रॉन कुछ ऊर्जा "कुएं" में है। अगर वह एक फोटॉन के रूप में बाहर से अतिरिक्त ऊर्जा प्राप्त करता है तो वह दूसरे "गड्ढे" में जा सकता है।

हाइड्रोजन के लिए लाइन अवशोषण और उत्सर्जन स्पेक्ट्रा में, जिसके सूत्र ऊपर दिए गए हैं, आप देख सकते हैं कि कोष्ठक में पहला पद 1/m^{2 के रूप का एक नंबर है।, जहाँ m=1, 2, 3… एक पूर्णांक है। यह उस स्थिर कक्षा की संख्या को दर्शाता है जिसमें इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा स्तर n से गुजरता है।}

विजिबल रेंज में वे स्पेक्ट्रा का अध्ययन कैसे करते हैं?

ऊपर कहा जा चुका है कि इसके लिए कांच के प्रिज्मों का उपयोग किया जाता है। यह पहली बार आइजैक न्यूटन द्वारा 1666 में किया गया था, जब उन्होंने दृश्य प्रकाश को इंद्रधनुषी रंगों के एक सेट में विघटित कर दिया था। कारणजो यह प्रभाव देखा जाता है वह तरंग दैर्ध्य पर अपवर्तक सूचकांक की निर्भरता में निहित है। उदाहरण के लिए, नीला प्रकाश (लघु तरंगें) लाल प्रकाश (लंबी तरंगों) की तुलना में अधिक प्रबल रूप से अपवर्तित होता है।

ध्यान दें कि सामान्य स्थिति में, जब किसी भी भौतिक माध्यम में विद्युत चुम्बकीय तरंगों की एक किरण चलती है, तो इस बीम के उच्च-आवृत्ति वाले घटक हमेशा कम-आवृत्ति वाले की तुलना में अधिक अपवर्तित और बिखरे हुए होते हैं। एक प्रमुख उदाहरण आकाश का नीला रंग है।

लेंस ऑप्टिक्स और दृश्यमान स्पेक्ट्रम

लेंस के साथ काम करते समय अक्सर धूप का इस्तेमाल किया जाता है। चूंकि यह एक सतत स्पेक्ट्रम है, लेंस से गुजरते समय, इसकी आवृत्तियों को अलग तरह से अपवर्तित किया जाता है। नतीजतन, ऑप्टिकल डिवाइस एक बिंदु पर सभी प्रकाश एकत्र करने में असमर्थ है, और इंद्रधनुषी रंग दिखाई देते हैं। इस प्रभाव को रंगीन विपथन के रूप में जाना जाता है।

लेंस ऑप्टिक्स की संकेतित समस्या को उपयुक्त उपकरणों (माइक्रोस्कोप, टेलीस्कोप) में ऑप्टिकल ग्लास के संयोजन का उपयोग करके आंशिक रूप से हल किया जाता है।