uabooks.top

„Két dolog tölti el az ember lelkét mindig új és erős csodálkozással és tisztelettel, minél gyakrabban és hosszabban gondolsz rájuk - a csillagos ég fölöttem és az erkölcsi törvény bennem" - írta Immanuel Kant (1724-1804) német filozófus. Viszont a csillagok által sugárzott fény - nem csak csodálatos szépségű, információt tartalmaz a csillagok hőmérsékletéről, összetételéről, mozgásáról és a bennük lezajló folyamatokról. Csak meg kell tanulni kiolvasni ezt az információt. Megtudjuk, hogy az atomoktól hogyan jutottak el a csillagokig.

Vonalas kibocsátási és elnyelési színképek

Ha kis darab sót dobunk a gáztűzhely égő rózsájára, a láng sárgás színűvé változik. A jelenség okát a kémiából már tudjátok: a konyhasó összetételében nátrium található és épp erre a fémre jellemző a sárga kisugárzás. Megvizsgáljuk a jelenség létrejöttének mechanizmusát.

A tűzben a nátrium felmelegszik és a nátriumatomok felső héjában az elektronok gerjesztett állapotba kerülnek. Visszatérve az alapállapotba, az

elektronok elektromágneses hullámokat bocsátanak ki, amelyek Bohr posztulátumai szerint egyértelműen meghatározott frekvenciával, tehát hullámhosszal is rendelkeznek. A nátrium esetében a legintenzívebb sugárzás a világossárga színnek megfeleld hullámhosszakon történik (37.1. a ábra).

Számos kísérlet bebizonyította, hogy bármely, magas hőmérsékletre felhevített kémiai anyag atomjai fényt sugároznak, amelynek keskeny nyalábját egy prizma néhány nya-lábra/vonalra bontja szét. Ha a gáz ritkított és atomi (nem molekuláris) állapotban van, akkor a spektrográf képernyőjén széles sötét sávokkal elválasztott színes vonalak jelennek meg. A megfigyelt vonalak összességét vonalas kibocsátási színképnek nevezzük (37.1. b ábra).

Fordított folyamat is végbemehet: ha a gázt fehér fénnyel sugározzák be, a színképen fekete sávok láthatók közvetlenül azokon a frekvenciákon, amelyeken az adott elem kisugárzása történik. Az ilyen színképet vonalas elnyelési színképnek nevezzük (37.1. c ábra).

Megjegyezzük, hogy bármely konkrét kémiai elem vonalas kibocsátási színképe nem egyezik meg egyik kémiai elem kibocsátási színképével sem, tehát az az elem „névjegyéül” is szolgálhat.

Vonalas színképek csak az atomi állapotú hígított gázoknál figyelhetők meg: a gázkisülést tanulmányozva a gázkisüléses csőben figyelhető meg a benne lévő gázra jellemző vonalas színkép.

A gáz sűrűségét növelve a színkép vonalai fokozatosan kiszélesednek, és amikor az atomok, molekulák és ionok közötti kölcsönhatás megnövekszik, a vonalak összemosódnak és folytonos színkép jön létre. A gázok, folyadékok és szilárd testek összenyomott állapotban ezért eredményeznek folytonos kibocsátási színképet.

Milyen színképet láttok a spektrométeren keresztül, amikor az elektromos izzó izzószálát vizsgáljátok? Amikor a Napba néztek? Gázkisülést az neoncsőben?

Molekuláris színképek

A molekuláris gázok színképei különböznek az atom színképvonalaitól, ahol a vonalak olyan sűrűn követik egymást, hogy azok sávoknak látszanak. Az ilyen színképet sávos színképnek nevezzük (37.2. ábra).

Az ilyen színkép azzal magyarázható, hogy a gerjesztett állapotban lévé' molekulákban az atomok rezegnek (nagyobb energiaszintre mennek át), valamint a molekulák forognak. Az atomok rezgőmozgásának és a molekulák forgómozgásának energiája a kvantumfizika törvényeinek van alárendelve, és egy sor diszkrét értékkel rendelkezik. Tehát az elektron egy energetikai szintje végtelen számú rezgési alszintre bomlik. A lehetséges átmenetek száma (alapállapotba való visszatérés) hirtelen megnő, amely a gyakorlatban óriási számú színképvonal létrejöttét eredményezi, amelyek széles sávokba olvadnak össze.

A színképelemzés alapjai

Már említettük, hogy az egyelemes gázok spektrális sugárzásának és az egyatomos gázok elnyelésének mérése lehetőséget nyújt a gázok összetételének azonosítására, mivel az atomállapotú gázok saját színképet hoz létre (jól meghatározható saját hullámhossz készletet). Ezek a vonalak a színképnek mindig ugyanazon a részén helyezkednek el, függetlenül az atomok állapotától. A továbbiakban meghatározzuk az atomok színképét, és összeállítjuk a színképtáblázatot.

A kibocsátás intenzitása alapján meghatározható az adott gázban az elemek koncentrációja: minél több van az adott elem atomjaiból az adott gázelegy-ben, annál élénkebbek a megfelelő vonalak a kibocsátási, vagy sötétebbek az elnyelési színképben.

Az anyag minőségi és mennyiségi összetételének meghatározását annak színképe alapján színképelemzésnek nevezik.

A színképelemzés módszerével sok új elemet fedeztek fel. Az első ilyen elem a cézium volt (latin caesius — kék), ami Földünk egyik legritkább eleme. A cézium a nevét a kibocsátási színképében található két élénk kék vonalnak köszönheti.

A színképelemzés az űrobjektumok tanulmányozásának legfontosabb módszere. Az asztrofizikusok annak segítségével ismerték meg a csillagok, gázködök és egyéb objektumok kémiai összetételét.

Sokoldalúságának és különleges pontosságának köszönhetően (színkép-elemzés segítségével még a 10^-10 g tömegű anyag is kimutatható a vegyületben) a színképelemzést széles körben alkalmazzák a vegyészetiben, kohászatban és atomfizikában.

Megjegyezzük, hogy a molekuláris gázok színképelemzése azok molekuláris színképei alapján történik, viszont a szilárd és cseppfolyós halmazállapotú anyagok összetételének színképelemzése nem lehetséges — először azokat gázállapotba kell alakítani.

Honnan ismerjük a távoli csillagok tulajdonságait?

William Hyde Wollaston (1766-1828) angol orvos és vegyész még 1802-ben spektroszkópon keresztül a Napot vizsgálva néhány, a sokszínű szivárványos sávot keresztező' sötét vonalat vett észre. Nem tulajdonított neki nagy jelentó'séget, azt gondolva, hogy a hasáb tökéletlensége okozza azokat. Viszont 17 év múlva Joseph von Fraunhofer (1787-1826) német fizikus meggyó'zó'dött róla, hogy a sötét vonalak létrejöttéért a Nap feleló's. „Közelebb hozta a csillagokat” - ez a felirat látható Fraunhofer sírkövén, és a Nap színképében található sötét vonalakat mai napig Fraunhofer-féle vonalaknak nevezik.

• A csillagok színképében az elnyelési vonalak segítségével ismerhető meg azok kémiai összetétele, hőmérséklete, nyomása, sebessége.

• Planck szerint a csillag hó'mérsékleté-nek növekedésével sugárzásának maximális teljesítménye a lila szín felé tolódik el, ezért a különböző' színek teljesítményének összehasonlításával megmérhető a csillagok felszínének hőmérséklete.

• A Doppler-effektus segítségével meghatározható a csillagok sebessége, távolsága, valamint exobolygók (extraszoláris bolygók) fedezhetó'k fel. A módszer abban rejlik, hogy a megfigyelő' számára a mozgó forrásból kiinduló hullámok hosz-sza változik: ha a forrás közelít, a hullámhossz csökken, és fordítva, ha távolodik — növekszik. Kiderült, hogy a távoli galaxisok színképvonalai a színkép piros része felé tolódnak el (vöröseltolódás), vagyis ezek a galaxisok óriási sebességgel távolodnak tó'lünk.

Összegezés

A fizikusok kutatásai a XIX. században bebizonyították az anyagok atomi összetételét, és megeró'sítették az atom összetett felépítését.

A gázállapotú anyagok magas hó'mérséklet esetén egyértelműen meghatározott frekvenciájú elektromágneses hullámokat bocsátanak ki — az adott esetben a vonalas sugárzási színképről van szó. Bármely konkrét kémiai elem vonalas színképe az adott elem egyéni frekvenciakészletével jellemezhető'.

Ha a gázt fehér fénnyel sugározzák be, a színképen fekete sávok láthatók közvetlenül azokon a frekvenciákon, amelyeken az adott elem kisugárzása történik. Az ilyen színképet vonalas elnyelési színképnek nevezzük.

A molekulák sugárzási színképe különbözik a gázok hasonló színképétől a nagyszámú, egymáshoz közel álló vonalak miatt, amelyek megfigyeléskor gyakran sávokba olvadnak össze (sávos színkép).

A kibocsátási színkép tanulmányozásával információt kaphatunk az anyag összetételéről; a csillagok és egyéb űrobjektumok elnyelési színképének segítségével megállapítható azok kémiai összetétele, hőmérséklete, nyomása, sebessége és több fontos paramétere.

Ellenőrző kérdések

1. Miért sugároznak az atomok fényt? 2. Mi a közös, és miben különbözik egymástól a vonalas kibocsátási és elnyelési színkép? 3. Miért rendelkezik minden kémiai elem saját színképpel? 4. Milyen anyagok, és milyen állapotban bocsátanak ki vonalas színképet? Sávos színképet? Folytonos színképet? 5. Nevezzétek meg a molekulák kibocsátási színképének jellegzetességeit! 6. Hol alkalmazzák a színképelemzést? 7. Soroljatok fel példákat a színképelemzés alkalmazására a csillagászatban!

37. gyakorlat

1. Milyen színképpel rendelkezik a ritkított atomi hidrogén? Molekuláris hidrogén? Milyen a színképe az erősen összenyomott hidrogénnek?

2. Az 1. ábrán a hidrogén elnyelési színképének (a) és két gáz elegye (b, c) színképének vonalai láthatók. Melyik elegyben található hidrogén?

3. A 2. ábrán két gáz (a, b) és gázelegy (c) elnyelési színképének vonalai láthatók. Megtalálható-e az elegyben az a vagy b gáz?

Miért használnak molekulakötések színképelemzése során karakterisztikus és nem fékezési röntgensugárzást?

5. A hélium görögül Napot jelent, mivel ezt az elemet elsőként színképelemzés segítségével a Napon észlelték. Járjatok utána, milyen elemeket fedeztek még fel színképelemzés segítségével!

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev