فیزیک نور و اتم
هدف کلى تعیین حدود فیزیک کلاسیک و فیزیک کوانتمى است.
پایان قرن 19 و شروع قرن 20 مقارن با بحرانى در فیزیک بود .
یک رشته از نتایج آزمایشگاهى مستلزم ایجاد مفاهیمى کاملاً مغایر با فیزیک کلاسیک بود.
این آزمایش ها مربوط به پدیده انتهاب و تابش جسم سیاه بود.
در این رابطه نور و خواص نور نقش اساسى دار د که باید مورد بحث قرار گیرد.
نظریه هاى قدیمى نور
فوکو : ثابت کرد که سرعت نور در محیط غلیظ کمتر از محیط رقیق است .
هویگنس : پیشنهاد کرد که پراکنش نور مانند صوت احتیاج به یک محیط مادى دارد، ] (اتر) مثل گاز یا مایع [.
یانگ : تداخل امواج را مشاهده کرد و فرضیه موجى بودن نور تقویت شد، (interference).
فرنل : نظریه پراش یا تفرق نور را به معنى پراشیده شدن یا شکسته شدن نور درلبه ها را تشریح کرد، (Diffraction).
نظریه هاى قدیمى نور
اولر : دلیل رنگ هاى گوناگون را به طو ل موج هاى مختلف نسبت داد.
مایکلسون – مورلی : نظریه اترهویگنس را رد کردند.
نظریه ماکسول: به عنوان مهمترین نظریه مربوط به نور ، نور را به شکل امواج الکترومغناطیسى طرح کرد که از دو بردار نوسان کننده و بطور عمده عمود بر هم تشکیل مى شد و هر دو بردار بر امتداد انتشار عمود بودند.
نظریه هاى قدیمى نور
بدین ترتیب بسیارى از پدیده هاى نورى مثل
شکست (Refraction) و
انعــکاس ) (Reflection و
قـطـبش (Polarization) و
پراش (Diffraction)و
تداخـل (Interference) قـابل توضـیح و فرمول بندى شـد.
اینـها پـدیـده هاى بعـد از انـتشار نـور هستـند.
در پدیده انتشار نور دو مبحث وجود دارد:
-1نور شناسی هندسی یا خطی : که در آن تنها پرتوهاى نورى در نظر گرفته می شود.
-2نور شناسی موجی : که در آن به طبیعت موجی نور توجه می شود.
در بررسی پدیده هاى فوق اندازه مانعى که در مسیر نور قرار می گیرد مهم است .
اگر اندازه مانع <طول موج نور باشد، آنگاه مبحث نور شناسی هندسى یا خطى یا پرتویى نور استفاده می کنیم.
ولی اگراندازه مانع با طول موج نور قابل مقایسه باشد، آنگاه خاصیت موجی نور در نظر گرفته می شود.
نحوه تولید نور
این مطالعات د رسال 1900 منجر به پیدایش فیزیک کوانتم شد .
چشمه هاى نورى :
1) گازهایى که در آنها تخلیه الکتریکى صورت می گیرد.
بدین معنى که گازها در حالت عادى عایق اند و جریان الکتریسیته را عبو ر نمى دهند . اما اگر تحت فشار کم ( 0/01 atm ) و ولتاژ زیاد(5000~10000volt) قرار گیرند، هادى جریان الکتریسته خواهند بود و از خود نور خواهند داد. مثل گاز نئون در یک لامپ نئون، جیوه یا هیدروژن.
2) اجسام مثل رشته تافته تنگستن در یک لامپ معمولی.
نحوه تولید نور
با تجزیه نور چشمه هاى فوق مطالعات زیر انجام میگیرد:
مطالعات طیف نشرى و جذبى گازهاى داغ ( اسپکتروسکپى اتمى – ملکولى )
طیف سنجى نشرى Emission Spectroscopy
طیف سنجى جذبى Absorption Spectroscopy
مطالعات نورى و توان تابش یافته از چشمه هاى نورى اجسام داغ در درجه حرارت هاى مختلف ( پدیده التهاب و تابش جسم سیاه و تابندگى سطحى و حفره اى )
Cavity Radiation or Black Body Radiation
در صورتى که نور سفید از یک منشور عبور داده شود، آنگاه یک طیف پیوسته بصورت یک سرى رنگ هاى بـهم پیـوسته، Continuous Spectrum ) ( مشاهده خواهد شد.
نحوه تولید نور تجزیه نور( اسپکتروسکپى اتمى – ملکولى )
اما اگرنور گاز تحریک شده یک عنصراز یک منشورعبور داده شود، آنگاه یک طیف خطى بصورت خطوط سفید در زمینه سیاه تشکیل خواهد شدو که به آن طیف سنجى نشرى Emission Spectroscopy ، و به خطوط طیفى مربوطه طیف خطى نشرى،Emission line Spectrum گفته میشود.
اما اگردر مسیرنورسفید، گاز تحریک شده اى قرارگیرد، نورعنصررد شده از منشور، یک طیف خطى بصورت خطوط سیاه در زمینه سفید تشکیل خواهد داد، که به این طیف سنجى، طیف سنجى جذبى
Absorption Spectroscopy
و به خطوط طیفى مربوطه، طیف خطى جذبى
Absorption line Spectrum گفته میشود.
این خطوط سیاه درست در همان محل خطوط مشاهده شده در طیف نشرى عنصر مزبور میباشد. لذا این خطوط سیاه باید نتیجه جذب نور در همان طول موجهاى نور نشرى عنصر مزبور مى باشد.
اگر ماده تحریک شده در این طیف سنجى از گازههاى تک اتمى(هیدروژن، هلیوم، جیوه) باشد، آنرا طیف سنجى اتمى و طیف حاصله را طیف اتمى گویند.
هر عنصریک طیف اتمى و خطى مخصوص بخود دارد، که از روی آن میتوان نوع عنصر موجود در نمونه را مشخص کرد.
هر گاه گاز یا بخار مولکولى تحریک شود، در طیف حاصل بجاى خطوط، باندههایى ظاهر میشود، که هر کدام از آنها حاوى تعداد زیادى خطوط مجاور هم مى باشند، این باندهها مربوط به دوران و ارتعا شات اتمهاى مولکولهاى تحریک شده است.
در طیف جذبی خورشید خطوط تاریکى دیده میشود، که به خطوط فرانهوفر Fraunhofer موسوم است.این خطوط مربوط به وجود عناصرى در جو خورشید است که طول موجهاى بخصوصی را جذب میکنند.
سریهاى طیفى ( Spectral Series ) :
در نیمه دوم قرن 19 مشاهده کرده بودند که
طول موجهاى طیف اتم ها تحت نظم و وضع معینى مى باشند و میتوان آنها را در سریهاى طیفى جاى داد.
طول موج هاى هر کدام از سریها توسط فرمول تجربى ساده اى مشخص مى شود
و طیف کامل یک عنصر به کمک فرمولهاى سریهاى مختلف معین می شو د که این فرمولها تا حد زیادى مشابه اند.
اولین سرى طیفى توسط بالمرضمن مشاهده طیف مرئى اتم هیدروژن پیدا شد که به سرى بالمر موسوم است .
طیفهاى جذبی و نشرى حاصل از تحریک اتم هیدروژن
در این طیف بزرگترین طول موج A 6563 و طول موج بعدى
A 1486 است که به ترتیب با علائم H , Ha نشان داده شده اند.
با کاهش طول موج خطوط طیف فشرده تر شده و شدت آنها نیز ضعیف تر مى شود. آخرین خط مربوط به طول موجA 3646 است .
سریهاى طیف هیدروژن
ابتدا بالمر (Balmer)و سپس رایدبرگ(Rydberg) دریافتند، که می توان خطوط دیده شده را از رابطه تجربی زیرکه در آن طول موج خط مربوطه در طیف هیدروژن، R ثابت رایدبرگ و 1 nو 2 n اعداد صحیح هستند، بطوریکه همیشه 1 n 2 n میباشد، بدست آورد.
A-1 3- 10 × 097/1 m-1 = 7 10 ×7 09. 1R=
فرمول بالمر براى این سرى
و 4و3 n2 =
H , Ha به ترتیب مربوط به 3 = n و 4= n هستند. مثلا برای n=3 داریم
1/l = 1.097 x 10-3 A-1 (5/36) , l = 6536.4 A ,
طول موج نور قرمزدر طیف اتم هیدروژن وبرای
n =
4/R = 3646 A
طول موج نور بنفش در طیف اتم هیدروژن.
براى ,n=4 lرا محاسبه کنید.
سری بالمرفقط شامل طول موجهایی است که در ناحیه مرئی طیف هیدروژن است. خطوط طیفی هیدروژن در ناحیه ماوراء بنفش و مادون قرمز توسط چندین سری دیگر بیان می شود. در ناحیه ماوراء بنفش سری لیمان Lyman series قرار دار د، این سری شامل طول موج هایی می شو د که توسط فرمول زیر مشخص می شود.
n2 = 2, 3, 4, ….
در ناحیه مادون قرمز سه سری طیف موجود است، که طول موج مربوط به آنها توسط فرمول زیر مشخص می شود:
سری پاشن … و6 و 5و4 n =
سری براکت 7… و6 و 5 n =
سری فوند, 7, 8… ,6 n =
مقدار R در تمام حالات فوق یکی است. هر اتم یک R مشخص و مخصوص به خود دارد . خواهیم دید که چگونه میتوان این رابطه تجربی را به کمک محاسبات کوانتم مکانیکی در اتم بدست آورد.