Раскаленный металл дает спектр
Обновлено: 04.10.2024
Можно пояснить с позиций термодинамики -- в равновесии кинетическая энергия движения молекул распределяется равномерно по всем степеням свободы, по 0.5kT на каждую. Забудем на секунду квантмех, тогда электрон может болтаться в атоме как на пружинке, и становится ясно, что на эту колебательную степень свободы электрона в равновесии так же приходится 0.5kT. Просто потому, что она может приходиться от случайных столкновений с другими молекулами -- столкновений так много, что они неизбежно приводят к равномерному распределению энергии по всем возможным направлениям и способам движения. Как известно, движение заряда с ускорением (а колебательное движение именно таково) вызывает излучение -- вот, собственно, всё. Электрон "толкают", он начинает колебаться, излучает, успокаивается, его снова "толкают" и т. п. . То же справедливо для нормальных условий, в них кусок металла (да и чего угодно) тоже светится, но в инфракрасном диапазоне, и совсем немного в видимом.
Теперь ещё добавляем ступенчатость энергии в квантмехе и вот этот вопрос дяди Мити, и получаем полную картину :-)
А вот и нет. Переход с уровня на уровень даёт дискретный спектр, межд тем как спектр свечения нагретого тела - сплошной.
Прямо уж-таки сплошной? Это вот Ваше заявление противоречит основам эмиссионного спектрального анализа, например. Я на эти спектры каждый день смотрю - есть такой прибор, стилоскоп называется - там спектр видимой области прямо глазами видно визуально в виде линий)
Потому, что при нагревании металл получает дополнительную энергию. Эту энергию он и испускаетв виде фотонов (квантов) электромагнитного излучения. А глаз человека принимает это излучение как свет. За открытие процессов квантования М. Планк в 1924 г получил Нобелевку. Так, что когда включаете лампочку, то вспоминайте Макса Планка добрым словом.
А конкретней нельзя я это и так знаю.
Мне хотелось бы знать на какие процессы конкретно тратится энергия
полученная от нагревания.
Броня крепка! Просветленный (24849) Вам действительно хочется знать на какие процессы конкретно тратится энергия полученная от нагревания? Тогда надо читать серьезные книги по квантовой физике. А если и задавать здесь на эту тему вопросы, то задавать их на правильном русском языке и писать без ошибок!
Для простоты возьмем атом водорода. Если сильно его разогреть, то атом поглощает часть энергии. При этом электрон скачком переходит с нижней стационарной орбиты на более высокие стационарные орбиты ). Такой "возбужденный" атом не может долго существовать и электрон возвращается ("падает") на более низкую орбиту, выделяя при этом строго определенную порцию (квант) световой энергии. То же самое происходит и с атомами других элементов.
Почему ж тогда у Солнца (сплошь водород и гелий) спектр свечения сплошной, а не линейчатый, как у водорода? Линии Фраунгофера не в счёт - это линии ПОГЛОЩЕНИЯ, а не испускания.
Treasure Hunter Просветленный (23308) А причем тут водород и гелий? Непрерывные (или сплошные) спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно всего лишь нагреть тело до высокой температуры. Характер непрерывного спектра и сам факт его существования не только определяются свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновениях электронов с ионами.
Почему раскаленный металл светится, что именно за процессы заставляеют испускает кванты света из кристаллической решетки
Спектры и спектральный анализ
В предыдущем параграфе мы отметили, что белый свет можно разложить в спектр, в котором все цвета радуги плавно переходят друг в друга. Однако раскалённый металл даёт красно-оранжевый свет, а горящий природный газ – голубой. А бывает ли спектр у цветного света?
Опытами установлено: спектр раскалённого жидкого или твёрдого тела всегда непрерывный – сплошной. Различные его участки могут быть ярче или темнее, но обязательно присутствуют. Однако спектр раскалённого газообразного вещества всегда состоит из отдельных цветных полос. Их количество и расположение может быть различным (см. рисунок).
Такие спектры называют линейчатыми спектрами испускания. Линии в них расположены на определённых местах, соответствуя определённым длинам волн, а яркость линий не зависит от того, как возбуждается свечение: сильным нагреванием или, например, электричеством.
Если же через то же самое газообразное вещество пропустить белый свет, мы получим линейчатый спектр поглощения. Он примечателен тем, что места, где на спектре испускания мы ранее видели светлые полоски, станут чёрными, а места чёрных промежутков займут цветные части:
Опытами установлено: спектры испускания и спектры поглощения одного и того же вещества одинаковы с точки зрения расположения линий. Важно: речь идёт об одном и том же веществе в одном и том же состоянии. Например, водород в обычном газообразном состоянии (молекулярном), в ионизированном состоянии (под действием электрического тока или др.), в жидком состоянии (сжиженный газ) будут иметь различные спектры.
Чем более многоатомными становятся молекулы и чем больше плотность вещества, тем больше линий в спектре, тем больше он похож на сплошной. Однако примечательно то, что каждое вещество в каждом состоянии имеет характерный спектр. Это свойство позволяет обнаружить и распознать вещество, даже если его количество очень мало.
Для наблюдения спектров служит прибор спектроскоп (см. рисунок). Он состоит из двух труб: щелевой (2) и зрительной (6), а также округлой коробочки с треугольной призмой (4). Первая труба имеет щель (1), выделяющую узкую полоску изучаемого света, и линзу (3), направляющую лучи параллельно на призму. Вторая труба содержит линзу (5), позволяющую спроецировать спектр на матовый экран (7).
Применяя призмы из кварца или каменной соли, можно изучать спектральные линии не только в видимой, но и в инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра. Cпектроскопы используют для анализа выбрасываемых в атмосферу газов, состава полезных ископаемых, изучения небесных тел и во многих других случаях.
Зародившись в последней четверти XVII века, спектральный анализ дал физике огромное количество экспериментальных данных и поставил много вопросов, ответы на которые были даны только в XX веке. Вот несколько примеров. Почему твёрдые и жидкие вещества дают сплошные спектры, а газообразные – линейчатые? Почему у газов с одноатомными молекулами линии спектра более узкие, чем у газов с многоатомными? Почему линии спектра «расширяются», если газ сжать? Почему линии спектра каждого химического элемента всегда располагаются на определённых местах? Как возникает «холодный» люминесцентный свет газоразрядных трубок (см. фото) и тепловое излучение раскалённых тел? От чего зависит энергия, переносимая светом с различной длиной волны? И множество других.
На эти и другие вопросы ответы смогла дать только квантовая физика, к изучению которой мы приступаем в следующей теме.
Почему раскаленные металлы светятся, а стекло при той же температуре нет?
Стекло (лучше взять тугоплавкий кварц), нагретое, например, до 900°С, почти не светится или светится очень слабо, а достаточно тугоплавкий металл, например, железо, при той же температуре будет светиться очень ярко. Почему?
При нагревании тела светятся тем лучше, чем ближе они к абсолютно чёрному телу. Поэтому даже металлы светятся неодинаково. Расплавленый алюминий (около 700 градусов) остаётся зеркальным, а вот железо уже при 600 светится красным цветом. То есть чем меньше света тело поглощает - тем меньше оно и испускает при нагревании.
Стекло - прозрачное. То есть довольно далеко от приближения "абсолютно чёрного тела". Поэтому и не светится.
Это, так сказать, "феноменологиче ское" объяснение. Оно очевидно. А вот каков механизм этого явления? Кстати, поверхность расплавленного алюминия будет зеркальной, наверное, в атмосфере инертного газа? Потому что если расплавить на газовой конфорке конец алюминиевой проволоки, расплав будет очень "серым" из-за оксидной пленки (алюминий - очень активный металл, с водой реагирует, если нет защитного слоя оксида). — 6 лет назад
Механизм свечения нагретых тел вообще тёмна вода в облацех, и фундаментальное его объяснение даётся с привлечением концепции физического вакуума, выходящей за рамки моего понимания. — 6 лет назад
Я как химик аналитик далек от теории твердого тела и квантовой оптики, но догадываюсь, что при нагревании стекла запрещённая зона сужается и в конце концов исчезает. Тогда стекло и начинает светится. В металле запрещённая зона отсутствует, и температура его свечения определяется законом Планка. — 6 лет назад
Видимо, именно так: свет-то испускают не ядра, а электроны, и то не всякие, а только внешние (иначе это будет не свет, а рентген). Именно эти электроны легче всего термически возбуждаются в металлах. Интересно, а химик-аналитик Ю.А.Золотов как ответил бы на этот вопрос? :) — 6 лет назад
Кто такой Золотов, я не знаю.(((( Валентные электроны есть и в диэлектриках, и в проводниках, а вот электроны проводимости - только в проводниках. Они и дают свечение при высокой температуре.
Нашёл Ю.А.Золотова в Википедии. Думаю, что спрашивать нужно всё-таки физиков, а не химиков-аналитиков, даже владеющих в совершенстве спектральными методами анализа. — 6 лет назад
Золотов - академик, заведующий кафедрой аналитической химии, главный редактор “Журнала аналитической химии”. А по поводу электронов - верно: валентные электроны, например, кремния в силикатах трудно возбудить, а в металлах электроны перевести на более высокий уровень намного легче. — 6 лет назад
Вероятно, ответ такой. Все нагретые до достаточно высокой температуры тела излучают видимый свет (а инфракрасный свет и свет с большими длинами волн излучают и холодные тела). Излучение видимого света происходит в результате "прыжка" электрона с энергетически более высокого уровня на уровень с меньшей энергией. А "забрасывает" электроны на высокие энергетические уровни энергия столкновения атомов друг с другом, и эта энергия повышается с увеличением температуры. Легче всего возбуждаются внешние электроны металлов, поэтому металлы и начинают светиться обычно при более низких температурах. В стекле (кварце) электроны атомов кремния, кислорода и ИОНОВ металлов возбуждаются значительно труднее, поэтому нужны более высокие температуры, чтобы такие вещества начали испускать свет.
Читайте также: