Atom

Atom (z gr. ἄτομος atomos: "niepodzielny") – najmniejszy składnik materii, któremu można przypisać właściwości chemiczne.

Budowa atomu

Atomy składają się z jądra i otaczających to jądro elektronów. W jądrze znajdują się z kolei nukleony: protony i neutrony. Neutrony są cząsteczkami obojętnymi elektrycznie, protony noszą ładunek elektryczny dodatni, zaś elektrony – ujemny.

W każdym obojętnym atomie liczba protonów i elektronów jest jednakowa. W takiej sytuacji łączony ładunek protonów i elektronów wynosi zero. Atomy z liczbą elektronów różną od liczby protonów nazywane są jonami, czyli atomami posiadającymi ładunek elektryczny. O właściwościach atomów decyduje głównie liczba protonów w jądrze atomowym. Grupy atomów o takiej samej liczbie protonów w jądrze, a różnej ilości neutronów określamy jako izotopy danego pierwiastka (określonego liczbą protonów).

Atomy są podstawowymi elementami budującymi materię z punktu widzenia chemii i pozostają najmniejszymi cząstkami rozróżnianymi metodami chemicznymi. Nie zmieniają się w reakcjach chemicznych.

Jon

Jon – atom lub grupa atomów połączonych wiązaniami chemicznymi, która ma niedomiar lub nadmiar elektronów w stosunku do protonów. Obojętne elektrycznie atomy i cząsteczki związków chemicznych posiadają równą liczbę elektronów i protonów, jony zaś są elektrycznie naładowane dodatnio lub ujemnie.

Jony naładowane dodatnio nazywa się kationami, zaś ujemnie anionami. Jony mogą występować samodzielnie, w stanie wolnym (zwykle w fazie gazowej) lub tworzą tzw. pary jonowe, które mogą być luźno z sobą związane lub odwrotnie - tworzyć silne wiązania. Silnie związane pary jonowe tworzą chemiczne wiązania jonowe, obecne w wielu związkach chemicznych.

Powstanie jonu z obojętnego atomu lub cząsteczki nazywamy jonizacją.

Symbol jonu podaje się w postaci symbolu atomu lub grupy atomów z ładunkiem umieszczonym w prawym górnym indeksie, np. dodatnie: Na⁺, Ca²⁺, Al³⁺ oraz ujemne: F^-, S^2-, SO₄^2-.

Model budowy atomu Bohra

Model budowy atomu Bohra – model atomu wodoru autorstwa Nielsa Bohra. Bohr przyjął wprowadzony przez Ernesta Rutherforda model atomu, według tego modelu elektron krąży wokół jądra jako naładowany punkt materialny, przyciągany przez jądro siłami elektrostatycznymi. Przez analogię do ruchu planet wokół Słońca model ten nazwano "modelem planetarnym atomu".

Postulaty Bohra

Bohr, budując swój model atomu, przyjął dwa postulaty, bez których model ten nie byłby zgodny z doświadczeniem. Postulaty te miały w istocie charakter kwantowy, ale były wprowadzone ad hoc.

• Orbitalny moment pędu elektronu jest skwantowany. Może on przybierać dyskretne wartości

gdzie

n = 1,2,3...,

– stała Plancka podzielona przez 2π.

• Podczas zmiany orbity, której towarzyszy zmiana energii elektronu, atom emituje foton. Energia fotonu równa jest różnicy między energiami elektronu na tych orbitach

gdzie

E₂ i E₁ – energie elektronu, odpowiednio, końcowa i początkowa,

h – stała Plancka,

ν - częstotliwość fotonu.

Pierwiastek chemiczny

Pierwiastek chemiczny – podstawowe pojęcie chemiczne posiadające dwa znaczenia:

• zbiór wszystkich atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze

• taka substancja chemiczna, która składa się wyłącznie z atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze^[1].

Pierwotna definicja pierwiastka chemicznego podana przez Arystotelesa, głosząca, że jest to taka substancja, której nie da się rozłożyć na prostsze, nie jest już współcześnie stosowana^[2].

W odpowiednich warunkach atomy pierwiastków mogą łączyć się z sobą tworząc związki chemiczne. Niemal cała znana materia składa się z pierwiastków chemicznych w pierwszym znaczeniu, które występują albo w stanie wolnym albo w formie związków chemicznych i ich mieszanin. Pierwiastki w drugim znaczeniu tego słowa występują na Ziemi w formie czystej stosunkowo rzadko i poza nielicznymi przypadkami (takimi jak np. miedź rodzima) trzeba je celowo wyodrębniać z mieszanin.

Liczba pierwiastków i ich nazewnictwo

Pierwiastki we wzorach chemicznych oraz w układzie okresowym przedstawia się w formie jedno-trzyliterowych skrótów (jedno- i dwuliterowe to oficjalne, trzyliterowe - tymczasowe). Dla przykładu: C - to węgiel, H to wodór, Cl to chlor, Uut to ununtrium odkryty w 2004 roku. W skrótach tych pierwsza litera jest zawsze wielka, a pozostałe małe. Przestrzeganie tej zasady ma duże znaczenie w jednoznacznym interpretowaniu wzorów chemicznych. Np: Co to symbol kobaltu zaś CO to wzór tlenku węgla, składającego się z atomu węgla (C) i tlenu (O). Skróty te pochodzą od łacińskich nazw pierwiastków.

Na początku 2008 r. znane były dowody na istnienie 117 pierwiastków chemicznych, z których te o liczbie atomowej od 1 do 112 zostały oficjalnie uznane przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) i nadano im oficjalne nazwy oraz skróty (poza pierwiastkiem 112, ununbium). Na temat istnienia pierwiastków o liczbach atomowych 113, 114, 115, 116 i 118 istnieją spory naukowe i dlatego jak dotąd nie mają one oficjalnych nazw i skrótów. Pierwiastek 117 jak dotąd nie został otrzymany^[3].

Oprócz nazw pierwiastków uznanych oficjalnie przez IUPAC w obiegu są też nazwy nieoficjalne. Dotyczy to głównie pierwiastków otrzymanych sztucznie przy pomocy technik rozwiniętych przez fizykę jądrową.

92 pierwiastki występują naturalnie na Ziemi. Pozostałe zostały otrzymane sztucznie. Pierwiastki o liczbie atomowej powyżej 82 (bizmut i dalej) są niestabilne, tzn. ulegają rozpadowi promieniotwórczemu w zauważalnym eksperymentalnie tempie. Oprócz tego niestabilne są także pierwiastki 43 (technet) i 61 (promet), które zostały otrzymane sztucznie. Ponadto żaden z pierwiastków o liczbie atomowej powyżej 94 nie występuje naturalnie. Wiele pierwiastków o liczbie atomowej poniżej 82 posiada z kolei niestabilne izotopy tj. atomy, w których jądrach jest ta sama liczba protonów, ale inna neutronów. Np. wodór posiada wysoce niestabilny izotop tryt, z którego buduje się bomby wodorowe^[4].

Własności chemiczne pierwiastków i układ okresowy

Prawo okresowości Mendelejewa głosiło, że własności chemiczne pierwiastków zmieniają się periodycznie, gdy ułoży się je w kolejności ich mas atomowych. Stało się to podstawą do stworzenia tabeli nazwanej układem okresowym. Później w toku badań nad pierwiastkami okazało się, że ich własności chemiczne wykazują okresowość nie tyle ze względu na masę atomową ile raczej na liczbę atomową. Na ogół masy atomowe pierwiastków rosną stopniowo ze wzrostem ich liczby atomowej, jednak ze względu na składy izotopowe w kilku przypadkach kolejność ta jest zaburzona^[5].

W układzie okresowym pierwiastki dzielą się na grupy i okresy. W najczęściej spotykanych postaciach układu grupy stanowią kolumny a okresy rzędy tabeli. Pierwiastki występujące w jednej grupie mają zazwyczaj podobne podstawowe własności chemiczne, które przechodząc od okresu do okresu ulegają tylko wzmocnieniu lub osłabieniu. Np: wszystkie oprócz wodoru pierwiastki występujące w 1. grupie układu są bardzo reaktywnymi metalami o własnościach zasadowych tworzącymi w reakcji z wodą odpowiednie wodorotlenki. Z kolei pierwiastki z 17. grupy są wszystkie niemetalami, tworzącymi w reakcji z wodą silne kwasy^[6].

Kwant energii

Kwant energii (w mechanice kwantowej) – porcja energii jaką może pochłonąć lub jaką może przekazać układ w pojedynczym akcie oddziaływania z innym układem (np. atom z fotonem).

W fizyce klasycznej energia może być wymieniana w dowolnych porcjach, w mechanice kwantowej mikroukłady mogą wymieniać energię tylko w porcjach o dozwolonej wielkości. Ponieważ w większości procesów fizycznych kwanty energii są bardzo małe w porównaniu z całkowitą wymienianą energią, fizyka klasyczna bardzo dobrze opisuje wiele zjawisk.

W 1900 Max Planck podał wzór na rozkład energii promieniowania ciała doskonale czarnego, który był zgodny z obserwacjami. W celu wyprowadzenia tego wzoru założył, że energia promieniowania cieplnego wysyłanego przez ciało jest emitowana przez oscylatory, które mogą mieć tylko określone, dyskretne energie. Koncepcja początkowo została poddana krytyce, ponieważ była przyjęta ad hoc do wyjaśnienia tylko określonego zjawiska i wydawała się sztuczna. Lecz wkrótce stała kamieniem węgielnym, na którym został zbudowany gmach mechaniki kwantowej.

Wkrótce po sformułowaniu przez Plancka tej hipotezy Albert Einstein doszedł do wniosku, że promieniowanie elektromagnetyczne jest wysyłane i pochłaniane również w określonych porcjach (kwantach) energii zależnych od częstości promieniowania, które obecnie nazywamy fotonami

gdzie ν oznacza częstotliwość promieniowania, h stałą Plancka.

Teoria kwantowa

Teoria kwantowa - a właściwie kwantowe teorie to teorie szczegółowe modele fizyczne, które za swą podstawę teoretyczną przyjmują mechanikę kwantową. Często nazwa teoria kwantowa jest używana jako synonim mechaniki kwantowej.

Przykłady:

• kwantowa teoria ciała stałego;

• kwantowa teoria pola;

• chemia kwantowa;

Często teorie kwantowe nie mają w nazwie członu kwantowy, jak na przykład:

• optyka atomowa;

• teoria oddziaływań elektrosłabych;

• fizyka statystyczna.

Mechanika kwantowa

Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.

Dla zjawisk zachodzących w mikroświecie konieczne jest stosowanie mechaniki kwantowej, gdyż mechanika klasyczna nie daje poprawnego opisu tych zjawisk. Jest to jednak teoria znacznie bardziej złożona matematycznie i pojęciowo.

Zasady mechaniki kwantowej są obecnie paradygmatem fizyki i chemii. Wraz ze Szczególną teorią względności mechanika kwantowa jest podstawą opisu wszelkich zjawisk fizycznych.

Nierelatywistyczna mechanika kwantowa pozostaje słuszna, dopóki stosuje się ją w odniesieniu do ciał poruszających się z prędkościami dużo mniejszymi od prędkości światła. Jej uogólnieniem próbowała być relatywistyczna mechanika kwantowa, ale ostatecznie okazało się, że takie uogólnienie musi mieć postać kwantowej teorii pola.

Mechanika kwantowa została stworzona niezależnie przez Wernera Heisenberga i Erwina Schrödingera w 1925 r. Została szybko rozwinięta dzięki pracom Maxa Borna i Paula Diraca. Jeszcze przed powstaniem ostatecznej wersji mechaniki kwantowej prekursorskie prace teoretyczne stworzyli Albert Einstein i Niels Bohr. Jej wersję obejmująca teorię pól kwantowych doprowadzili do ostatecznej formy Richard Feynman i inni.

Mechanika klasyczna a mechanika kwantowa

Ogólną wskazówką, którą się kiedyś posługiwano, aby rozsądzić, czy należy użyć mechaniki kwantowej, by uniknąć znaczących błędów w opisie zjawisk, jest porównanie długości fali de Broglie'a z wielkością analizowanego układu fizycznego. Jeśli są to wielkości zbliżone do siebie, zastosowanie mechaniki klasycznej da najpewniej nieprawidłowe wyniki. Obecnie, z racji postępu doświadczalnego, znane jest wiele zjawisk kwantowych, do których ta prosta reguła nie obowiązuje.

Zasady mechaniki kwantowej określają sposób patrzenia na wszelkie zjawiska fizyczne i chemiczne, także te, których opis prowadzi się przy użyciu mechaniki klasycznej: stara się wówczas wykazać, że jest to klasyczna granica opisu kwantowego. Stanowi ona podstawę badawczą takich działów nauki jak: fizyka materii skondensowanej, chemia kwantowa, fizyka jądrowa, fizyka cząstek elementarnych czy astrofizyka.

Zjawiska opisywane przez mechanikę kwantową

Obok zjawisk będących inspiracją do budowy mechaniki kwantowej jej wielki sukces wiąże się z prawidłowym opisem następujących zjawisk:

• dyfrakcja i interferencja światła i strumieni cząstek (podstawa optyki kwantowej, elektrodynamiki kwantowej);

• szczegóły atomowej budowy materii, zwłaszcza struktury elektronowej pierwiastków (podstawa chemii kwantowej, fizyki ciała stałego);

• zjawiska rozpraszania i zderzeń w skali atomowej i subatomowej (podstawa fizyki jądrowej, fizyki cząstek elementarnych, kwantowej teorii pola, elektrodynamiki kwantowej, chromodynamiki kwantowej, standardowego modelu oddziaływań fundamentalnych);

• mikroskopowego opisu zjawisk transportu (przewodnictwo prądu w metalach i półprzewodnikach);

• zjawisk kolektywnych w skali makroskopowej (nadciekłość, nadprzewodnictwo, kondensacja Bosego-Einsteina, magnetyzm);

• inne.

Konsekwencje filozoficzne

Rozwój mechaniki kwantowej wywarł ogromny wpływ na współczesną filozofię. Istotny wpływ wywarła interpretacja kopenhaska związana z Nielsem Bohrem. Zgodnie z tą interpretacją, probabilistyczna natura mechaniki kwantowej nie może być wyjaśniona w ramach innej deterministycznej teorii, ale jest odbiciem probabilistycznej natury samego Wszechświata.

Albert Einstein, będący jednym z twórców mechaniki kwantowej, był przeciwny interpretacji kopenhaskiej – uważał, że powinna istnieć ukryta deterministyczna teoria u podstaw mechaniki kwantowej, którą w obecnej postaci uważał za teorię niedokończoną.

Interpretacja Bohma, sformułowana przez Davida Bohma w 1952 roku, jest deterministyczną interpretacją mechaniki kwantowej - ale jest sformułowana na sposób niezgodny ze szczególną teorią względności Einsteina.

Widmo spektroskopwe

Widmo spektroskopowe to zarejestrowany obraz promieniowania rozłożonego na poszczególne częstotliwości, długości fal lub energie. Widmo, które powstało w wyniku emisji promieniowania przez analizowaną substancję albo na skutek kontaktu z nią (przeszło przez nią lub zostało przez nią odbite), może dostarczyć szeregu cennych informacji o badanej substancji.

Widmo spektroskopowe to dwuwymiarowa zależność (najczęściej przedstawiana na płaszczyźnie jako wykres - funkcji gęstości lub dystrybuanty) ciągła co najmniej w pewnym zakresie wartości fizycznych i z określoną dokładnością pomiędzy dwoma miarami; natężeniem promieniowania, zliczeniami, impulsami itp. i miarą spektroskopowego parametru fizycznego takiego jak; fala elektromagnetyczna (nm), masa (kg), energia (J) itp.

Metoda analizy widm i jej zastosowanie

Analizą widm i wyjaśnianiem mechanizmów ich powstawania zajmuje się spektroskopia. Ta metoda badawcza wykorzystywana jest w wielu dziedzinach nauk doświadczalnych, głównie fizyce, chemii i astronomii. Poza naukami podstawowymi znalazła również wiele zastosowań praktycznych (np. w medycynie).

Widma zawierają zwykle elementy charakterystyczne dla substancji obecnych w badanej próbce, widoczne w postaci "linii", "pasm" lub "pików", stąd, w najprostszym przypadku wykorzystuje się je do analizy składu badanej próbki lub/i zawartości w niej różnych składników (przykładem może być analiza składu chemicznego gwiazd na podstawie analizy widma emitowanego przez nie światła).

Najprostsze widma jednowymiarowe mają zwykle postać wykresu, na którym na osi pionowej zaznacza się zwykle intensywność promieniowania (lub stopień jego absorpcji - dla widm absorpcyjnych), a na osi poziomej liczbową charakterystykę używanego w danej spektroskopii promieniowania, np. długość fali, częstotliwość lub energię. Widma przedstawia się czasem również w postaci paska świetlnego uzyskiwanego na ekranie lub na filmie fotograficznym.

Widma wielowymiarowe przedstawiają rozkład promieniowania w zależności od dwu lub trzech współrzędnych przestrzennych bądź dodatkowych współrzędnych związanych z jednoczesną rejestracją dwu lub więcej rodzajów promieniowania (np. w wielowymiarowej spektroskopii NMR).

Klasyfikacja widm

• Ze względu na wygląd widma

  • Widmo ciągłe - ma postać ciągłego obszaru lub szerokich pasów (widmo o składowych, występujących w sposób ciągły wzdłuż skali częstotliwości). Widmo takie jest emitowane przez ciała w stanie stałym.

  • Widmo liniowe (atomowe) - ma postać oddzielnych linii na pasku widmowym; typowo występuje dla gazów atomowych,

  • Widmo pasmowe (cząsteczkowe) jest przypadkiem pośrednim pomiędzy widmem liniowym a ciągłym. Można je zaobserwować dla gazowych związków chemicznych. Pasma powstają tam na skutek zlewania się poszczególnych linii pochodzących od sąsiadujących ze sobą licznych poziomów energetycznych rotacyjno-oscylacyjnych.

• Ze względu na sposób powstania

  • widmo emisyjne - powstaje w wyniku emisji promieniowania przez ciało

  • absorpcyjne - powstaje w wyniku oddziaływania (przejścia lub odbicia) fali o widmie zazwyczaj ciągłym z substancją.

• W zależności od rodzaju fali:

  • optyczne

  • rentgenowskie

  • dźwiękowe

  • i inne.

Widmo optyczne

Widmo optyczne (spektrum) – obraz uzyskany w wyniku rozłożenia światła niemonochromatycznego na składowe o różnych długościach fal (różnych barwach), np. za pomocą pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej.

Widmo optyczne może być:

• emisyjne – powstałe w wyniku rozszczepienia światła emitowanego bezpośrednio ze źródła

• absorpcyjne – powstałe po rozszczepieniu światła, które przeszło przez obiekt zdolny do selektywnego absorbowania części światła

• odbiciowe – powstałe w wyniku rozszczepienia światła, które wcześniej zostało selektywnie odbite

Widmo optyczne liniowe ma postać jasnych, barwnych prążków na ciemnym tle lub ciemnych prążków na tle widma ciągłego. Na podstawie analizy widma optycznego można prowadzić detekcję występowania pierwiastków chemicznych, a także wielu związków chemicznych, gdyż posiadają one charakterystyczne linie lub obszary absorpcji w widmach optycznych. Analizowaniem tego rodzaju widm zajmuje się nauka zwana spektroskopią.

Widmo optyczne ciągłe emitują pobudzone do świecenia ciała stałe i gazy pod dużym ciśnieniem oraz swobodne atomy i cząsteczki, gdy zachodzą np. procesy fotojonizacji lub fotodysocjacji.

Nazwy barw czystych

Wyliczenie barw czystych: najdłuższym falom odpowiada barwa czerwona, następnie pomarańczowa, zółtawopomarańczowa (barwa żółta odpowiada niemal ściśle określonej częstotliwości), zielonożółta, żółtozielona, żółtawozielona, zielona, niebieskozielona, zielonkawoniebieska, niebieska, fioletowa, a najkrótszym falom barwa purpurowoniebieska. Mieszaninie fal najdłuższych i najkrótszych odpowiadają (wg malejącego udziału fal krótkich): barwa purpurowa, czerwonawopurpurowa, czerwonopurpurowa, purpurowoczerwona, i wreszcie dla dosyć dużego udziału fal długich barwa czerwona. Poza tym barwa różowa to rozjaśniona czerwona i purpurowoczerwona, a purpuroworóżowa to rozjaśniona czerwonopurpurowa.

Widmo emisyjne

Widmo emisyjne - widmo spektroskopowe, które jest obrazem promieniowania elektromagnetycznego, wysyłanego przez ciało.

Widmo emisyjne powstaje, gdy obdarzone ładunkiem elektrycznym elektrony, atomy, cząstki lub fragmenty cząsteczek tworzących dane ciało, będąc wzbudzonymi przechodzą ze stanu o wyższej do stanu o niższej energii. Przejściu temu towarzyszy emisja kwantu promieniowania elektromagnetycznego o energii równej różnicy energii poziomów, między którymi przeszła cząstka.

Widma emisyjne charakteryzują się:

• Dla gazów prostych atomów - widmo emisyjne przyjmuje często formę serii dobrze rozseparowanych częstotliwości, które spektrometry rejestrują w formie prążków. Układ tych prążków jednoznacznie wskazuje na obecność określonego pierwiastka w gazie i jest nazywany widmem atomowym. Umożliwia to m.in. ustalanie na podstawie widm emisyjnych składu pierwiastkowego odległych ciał niebieskich.

• Dla ciał stałych i cieczy - widmo emisyjne jest ciągłe.

• Dla gazów atomów o złożonej budowie dają widmo pasmowe czyli składające się z pasów.

Widmo absorpcyjne

Widmo absorpcyjne – widmo, które powstaje podczas przechodzenia promieniowania elektromagnetycznego przez chłonny ośrodek absorbujący promieniowanie o określonych długościach. Można zarejestrować przy użyciu metod spektroskopii. Graficznie ma postać widma ciągłego z ciemnymi liniami (dla gazowych pierwiastków). Występowanie widma absorpcyjnego jest spowodowane pochłanianiem przez substancję fotonów tylko o określonych długościach fali – takich które mogą spowodować wzbudzenie atomu lub cząsteczki do stanu dopuszczanego przez prawa mechaniki kwantowej. Zmiany stanu wzbudzenia dotyczą zarówno elektronów jak i oscylacji i rotacji całych cząstek.

Obrazem widma absorpcyjnego związku chemicznego są pasma o strukturze liniowej lub ciągłej z silniej lub słabiej zaznaczonymi ekstremami.

Widmo liniowe

Widmo liniowe lub dyskretne - widmo emisyjne składające się z oddzielnych linii widmowych. Widmo takie jest typowe dla nieoddziałujących ze sobą atomów, czyli pierwiastków w stanie gazowym, jeżeli gaz ten pozostaje pod niezbyt dużym ciśnieniem. Dlatego widmo tego typu nazywane jest również widmem atomowym. Układ linii widmowych zależy od układu poziomów energetycznych elektronów w atomie, który jest różny dla atomów różnych pierwiastków. Z tego powodu również układ linii widmowych jest niepowtarzalny i charakterystyczny dla danego pierwiastka. Dzięki temu analiza widmowa światła pochodzącego nawet z bardzo odległych źródeł pozwala na identyfikację pierwiastków wchodzących w skład świecącego gazu.

Linie spektralne

Linia spektralna — ciemna lub jasna linia w jednolitym, ciągłym widmie, powstającą wskutek nadmiaru lub deficytu fotonów (w porównaniu z pobliskimi częstotliwościami) w wąskim zakresie częstotliwości.

Linie spektralne są wynikiem oddziaływania pomiędzy układem kwantowym (zazwyczaj atomy, ale czasami też molekuły i jądra atomowe) i fotonami. Kiedy foton ma dokładnie taką energię, by zmienić energetyczny stan układu (w przypadku atomu jest to zazwyczaj zmiana orbity przez elektron), zostaje zaabsorbowany. Wzbudzony pochłonięciem energii układ może wyemitować foton. Emitowany (re-emitowany) foton może mieć taką samą częstotliwość lub może być ona inna. Układ może być też wzbudzony poprzez dostarczenie energii w wyniku zderzeń elementów układu (np. atomów).

Gdy światło przechodzi przez niepobudzony układ (np. chłodny gaz), w zależności od geometrii gazu, źródła fotonów i obserwatora w obserwowanym widmie można zaobserwować linie emisyjne lub linie absorpcyjne. Jeżeli gaz znajduje się pomiędzy źródłem fotonów i obserwatorem, w wyniku pochłaniania zostanie zaobserwowany spadek w natężeniu światła w częstotliwościach, w których fotony mogą być pochłaniane, jako że re-emitowane fotony będą poruszały się w innych kierunkach niż oryginalne. Wtedy powstanie linia absorpcyjna. Jeśli obserwator patrzy na taki gaz, ale bez widzenia źródła fotonów, zobaczy on tylko re-emitowane fotony w wąskim paśmie częstotliwości, i wtedy zaobserwuje linie emisyjne.

W klasycznym eksperymencie Newtona, kiedy światło jest przepuszczane przez szczelinę a potem przez pryzmat, z powodu zależności współczynnik załamania od długości fali (zjawisko nazywane dyspersją w szkle), każda z długości fali jest załamywana w innym kierunku i pierwotne światło rozbija się w wstęgę tęczy. W wyniku tego powstaje oddzielny obraz szczeliny dla każdej długości fali. Kiedy jest badane światło pochodzące od płomienia, zamiast pełnej gamy kolorów otrzymuje się wąskie linie, gdzie każdy z kolorów jest wyodrębniony – są to linie emisyjne. Każdy pierwiastek ma swój specyficzny zestaw linii i stąd narodziła się dziedzina zwana spektroskopią. Wiele pierwiastków zostało wpierw odkrytych dzięki swoim charakterystycznym liniom emisyjnym: hel, tal, cer, itd.

Powód dla którego pierwiastki mają ściśle określony zestaw linii, został po raz pierwszy wytłumaczony przez model atomu Bohra. Kiedy elektrony zmieniają swoją orbitę na mniej energetyczną, różnica energii jest wysyłana jako foton o dokładnie określonej częstotliwości. Dla prostych źródeł światła, stany energetyczne są ściśle określone, jak i częstotliwości obserwowanego światła.

Linie absorpcyjne i emisyjne są zależne od rodzaju atomów wytwarzających je i dlatego mogą być łatwo użyte do badania składu chemicznego dowolnej substancji zdolnej do przepuszczania przez siebie światło. W ten sam sposób można badać skład chemiczny gwiazd i innych ciał niebieskich. Linie spektralne są także silnie zależne od fizycznych własności gazu, co również jest wykorzystywane w astronomii. Pionierem takich badań był Joseph von Fraunhofer, od jego nazwiska linie absorpcyjne nazywane bywają liniami Fraunhofera.

Istnieją także inne mechanizmy, kiedy oddziaływanie atomu z fotonem może wytworzyć linię spektralną. W zależności od określonego, fizycznego oddziaływania częstotliwość zaangażowanych fotonów będzie się szeroko wahać i linia będzie obserwowana przez całe widmo, od fal radiowych do promieniowania gamma.

Linia rozszerza się na pewien zakres częstotliwości, zamiast pojawić się tylko dla jednej, konkretnej. Powody tego poszerzania są różne:

• Naturalne poszerzenie: przede wszystkim łączy przebywanie w stanie wzbudzonym z dokładną energią, tak że ten sam stan wzbudzony będzie się nieznacznie różnił energetycznie dla różnych atomów.

• Poszerzenie dopplerowskie: Atomy będą miały różne prędkości, więc będą widziały fotony przesunięte w czerwoną lub niebieską stronę widma, absorbując fotony o różnych energiach z punktu widzenia obserwatora. Im wyższa temperatura gazu, tym większe są różnice w prędkościach i większe poszerzenie linii.

• Poszerzenie wskutek ciśnienia: Oddziaływanie z innymi atomami przesuwa energię poziomów energetycznych, które są odpowiedzialne za powstawanie linii. Efekt zależy od gęstości gazu.

Spektroskop

Spektroskop - przyrząd służący do przeprowadzania zdalnej analizy poprzez badanie widma. Składa się z poziomej tarczy z podziałką kątową, w której środku jest umieszczony pryzmat lub siatka dyfrakcyjna, z lunety obracanej wokół tarczy oraz z kolimatora, wyposażonego w źródło światła.

Spektroskop optyczny jest to przyrząd służący do otrzymywania i analizowania widm promieniowania świetlnego (od podczerwieni do ultrafioletu).

Spektroskop – budowa i zasada działania

Zasada działania spektroskopu jest bardzo prosta. Sercem urządzenia jest pryzmat a więc, spektroskop wykorzystuje zjawisko dyspersji. Dyspersja polega na zmianach katą załamania się światła podczas przejścia z jednej substancji przezroczystej do drugiej, w zależności od jego długości. Jeżeli przepuścimy przez pryzmat światło białe uzyskamy tęczę w fizyce nazywaną profesjonalnie widmem. Dzieje się tak ponieważ światło białe jest mieszanką wszystkich długości światła.

W przyrodzie jednak znacznie częściej spotykamy sie ze źródłami światła, które emitują tylko niektóre długości. Po przejściu takiego światła przez pryzmat nie otrzymamy juz widma ciągłego ale tylko niektóre barwy. Wykorzystuje to nauka zwana spektroskopią, która zajmuje sie identyfikacja substancji na podstawie ich widm. Spektroskop to najprostsze urządzenie które wykorzystuje widma do identyfikacji substancji. Oprócz znajdującego się na nieruchomej tarczy pryzmatu, spektroskop składa się jeszcze z kolimatora i obracającej się wokół tarczy lunety. Kolimator to prosty przyrząd optyczny którego zadaniem jest skupienie do równoległej wiązki światła, które bezie przedmiotem badań, oraz skierowanie tej wiązki na pryzmat. Z drugiej strony spektroskop posiada obrotową lunetę. Pomiaru dokonuje sie poprzez obserwację widma przez lunetę. Jeżeli obserwator dostrzeże kolorowy prążek notuje kąt lunety, który następnie można zamienić na długość fal. Efektem takiego pomiaru jest zbiór długości fal świetlnych na podstawie których można zidentyfikować źródło światła.

Widma i ich podział

W powyższym opisie działania spektroskopu za przykład posłużyło emisyjne widmo liniowe. Nie jest to jednak jedyny rodzaj widma jakie możemy uzyskać w spektroskopie. Klasyczny podział widm prezentuje sie tak. Pod względem wyglądu widma.

• Widmo ciągłe, czyli wspomniana juz tęcza bądź tez jej fragmenty.

• Widmo liniowe składające sie z pojedynczych barwnych prążków. Takie widmo związane jest z rodzajem atomów z których składa sie badana substancje.

• Widmo pasmowe ma postać szerszych barwnych pasów lub bardzo gęsto położonych prążków a jego powstawanie jest związane nie z energiami pojedynczych atomów a z energiami cząsteczek.

W dalszej części zajmować nas będą tylko widma liniowe, gdyż badanie polegające na identyfikacji pierwiastka na podstawie widma liniowego jest najprostsze.

Podział ze względu na sposób powstania.

• Widmo emisyjne gdy badamy światło wyemitowane bezpośrednio przez badaną substancję. W taki sposób bada się gazy, które zostają elektrycznie pobudzone do świecenia.

• Widmo absorpcyjne powstaje gdy na drodze światła białego umieścimy substancje pochłaniająca pewne jego długości, czego efektem będzie barwne widmo ciągłe z czarnymi prążkami.

Widmo emisyjne – sposób powstawania

Powiedzieliśmy już, że każdy pierwiastek możemy rozpoznać po jego widmie. Jak to się jednak dzieje, że każdy z pierwiastków emituje inne widmo, które możemy badać posiadając spektroskop? Wyjaśnienie tego zjawiska zapewnia orbitalny model budowy atomu Bohra. W1913 roku Bohr publikuje swoja prace w której proponuje nowe, odważne postulaty dotyczące budowy atomów. Mimo iż teoria ta wyjaśniały wystarczająco dobrze tylko budowę atomów wodoropodobnych, stała się ona milowym krokiem w rozwoju fizyki, prowadzącym do powstania mechaniki kwantowej. Dla nas ważne są jednak te jej elementy, które tłumaczą jak powstają widma spektralne. Według postulatów Bohra posiadające ujemny ładunek elektrony krążą wokół dodatniego jądra po orbitach kołowych. Co więcej orbity te nie mogą być dowolne a jedynie takie, dla których moment pędu równa się wielokrotności stałej Plancka podzielonej przez dwa pi. Możemy więc powiedzieć, że są one skwantowane. Kwantyzacja to pojęcie wprowadzone właśnie przez Plancka, który badając promieniowanie ciała doskonale czarnego stwierdził, że promieniuje ono nie w sposób ciągły lecz bardzo małymi porcjami zależnymi od pewnej stałej, która dziś nazywamy jego imieniem. Kwantyzacja orbit elektronów według Bhora pociąga za sobą także kwantyzacje ich energii. Elektron będący na danej orbicie ma ściśle określona energię. Skoro elektron nie może przyjmować dowolnych połażeń zmiana orbity następuje skokowo. Wiąże się to oczywiście ze zmianą jego energii która w takich warunkach również posiada naturę skwantowaną. Widzimy więc, że zmianie orbity towarzyszy wypromieniowanie lub też absorpcja określonej porcji( kwantu) energii, dla każdej pary orbit innej. Długość fali odpowiadającej tej energii możemy obliczyć ze wzoru:

E1-E2=hv

E1, E2 -energie elektronu na orbitach
h - stała Plancka
v -czestotliwosc fali

Cześć tego przedziału przypada na długości widzialne dla człowieka. Dokładnie jest to tak zwana seria Balmera, która powstaje podczas przejścia z wyższych orbit na orbitę drugą. Widmo emisyjne powstanie nam jeżeli będziemy obserwować np. dostarczając próbce gazu energię za pomocą wyładowań elektrycznych. Elektrony w atomach gazu zaabsorbują ta energie przechodząc na wyższe orbity, po czym będą spontanicznie przechodzić na orbity niższe emitując przy tym kwanty energii a więc określone długości fali elektromagnetycznej. Widmo emisyjne to właśnie światło o tych długościach. Wspomniane wcześniej widmo absorpcyjne powstaje natomiast gdy elektrony będą pochłaniać ze światła o szerokim spektrum długości fal odpowiadające określonym przeskokom z orbit niższych na wyższe.