«Я иду на урок»

О.А.АГАФОНОВА,
с. Чернуха, Нижегородская обл.

Излучение и поглощение света атомом. Спектры

Урок изучения нового материала, 11-й класс

Выписываю газету «Физика» с самого её появления и постоянно использую публикуемые в ней материалы. Я учитель физики высшей квалификационной категории, педагогический стаж 36 лет. Все эти годы веду уроки физики и астрономии. Являюсь учителем физики в третьем поколении. За годы работы накопила много полезной информации. Думаю, что многие молодые учителя, особенно работающие на селе (ведь не у всех есть компьютеры!), часто испытывают недостаток дополнительных сведений при разработке многих тем. Хочу предложить свой урок. Буду рада, если кому-то пригодится этот материал.

Цели урока: развивать коммуникативные способности, обогащать словарный запас через усвоение научной терминологии; формировать навыки соблюдения норм безопасного поведения в окружающем мире; изучать теорию строения атома Резерфорда–Бора; формировать понятие о спектрах; объяснить природу спектра на примере атома водорода; познакомить с методом спектрального анализа; учить находить причинно-следственные связи между строением вещества, его состоянием и спектром, показать границы применимости научной теории; учить видеть проявление изученных закономерностей в окружающей жизни.

Ход урока

1. Организационный этап

2. Фронтальный опрос

– Какое изучение называется тепловым? (Ответ. Это электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами за счёт своей внутренней энергии.)

– Что понимают под абсолютно чёрным телом? (Ответ. Это тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения любой частоты при произвольной температуре.)

– Обладает ли квант света импульсом и энергией? (Ответ. Да. p = h/c = h/; E = h.)

– Может ли фотон при каких-либо условиях замедлить своё движение в вакууме или остановиться? (Ответ. Нет, он может только целиком поглотиться каким-либо веществом.)

– Сформулируйте 1-й постулат Бора. (Ответ. В устойчивом атоме электрон может двигаться лишь по стационарным орбитам, не излучая энергии.)

– Сформулируйте правило квантования. (Ответ. На стационарной орбите момент импульса электрона квантуется – кратен постоянной Планка.)

3. Изучение нового материала

• (Демонстрация спектра атома водорода от газоразрядной трубки, наполненной водородом. Наблюдают спектр через призмы индивидуально.)

Учитель. Что заставило атомы водорода светиться?

Учащиеся. Дополнительная энергия, полученная за счёт поглощения электрической энергии.

Учитель. Вспомним энергетический спектр водорода. Сколько в нём уровней энергии? Самый нижний уровень соответствует основному состоянию атома как поверхность Земли, а основные уровни – как расположенные один над другим балконы многоэтажного дома, причём никак не огороженные. Если представить электрон в виде шарика, то ясно, что этот шарик может легко свалиться вниз с любого балкона, однако обратно попасть на балкон сам не сможет. Лишь в основном состоянии атом может находиться неограниченно долго. При поглощении атомом электромагнитного излучения электрон переходит на более высокий уровень (атом оказывается в возбуждённом состоянии), а при испускании излучения переходит на один из нижних уровней. Излучение и поглощение энергии происходит порциями. Энергия фотона, испускаемого возбуждённым электроном при переходе на более низкий энергетический уровень, равна разности энергий, соответствующих этим уровням. Частота излучения пропорциональна энергии фотона.

Каждый атом характеризуется собственной системой энергетических уровней и, как следствие, характерным спектром излучения. Другими словами, представляя атомы как многоэтажные дома с балконами, можно сказать, что каждый атом построен по индивидуальному проекту. Индивидуальность распространяется и на межэтажные расстояния: в каждом доме на разных этажах расстояние от пола до потолка различно. Оно различно и для одних и тех же этажей в разных домах. Эта аналогия позволяет понять, почему разные атомы излучают на различных длинах волн.

Нельзя точно предсказать, когда «шарик» (электрон) свалится вниз с «неогороженного балкона» (испустит фотон). Случайный процесс излучения фотонов атомами называют спонтанным излучением.

ВЫВОД. 2-й постулат Бора: излучение света атомом происходит при его переходе из стационарного состояния с большей энергией Е_k в стационарное состояние с меньшей энергией Е_n: h_kn = E_k – E_n.

• Учитель. Воспользуемся таблицей, составленной на прошлом уроке. По рядам просчитайте длины волн при переходе электрона с уровня n = 6 на уровни с k = 1, 2, 3, 4, 5 и определите, излучениям каких длин волн соответствуют эти переходы. Назовите полученные серии.

Атом водорода по Бору

; h = 6,62 • 10^–34 Дж • с; ; c = 3 • 10⁸ м/с.

• Для того чтобы излучить фотон, атом должен обладать избыточной энергией по сравнению с энергией основного состояния, т.е. быть возбуждённым. Переход атома в возбуждённое состояние возможен при сообщении ему энергии извне. Различают несколько видов излучения.

Тепловое излучение – наиболее обычный вид, генерируется при возбуждении связанной системы атомов за счёт нагревания тела, т.е. за счёт внутренней энергии.

Люминесценция – вид холодного свечения, который отличается от теплового излучения тем, что не зависит от температуры излучающего тела (люминофора) и может быть достаточно интенсивным, даже если тело холодное. Люминесцентное свечение может возбуждаться энергией любого вида и имеет характеристический спектр, т.е. набор частот излучаемых волн зависит от химического состава излучающего тела. Люминесценция обладает конечным временем затухания: свечение прекращается не сразу после прекращения действия вызвавшей его причины, а продолжается ещё некоторое время (послесвечение). Другая характерная особенность: между моментом получения телом энергии и моментом начала излучения проходит некоторое время (задержка). Яркость люминесцентного свечения больше яркости абсолютно чёрного тела той же температуры.

Триболюминесценция – вид люминесценции, который возбуждается трением, ударом, т.е. за счёт механической энергии (например, сахар светится при раскалывании в темноте).

Хемилюминесценция – люминесцентное свечение, происходящее при химических и биологических процессах: свечение фoсфора при его окислении, свечение живых организмов (светлячков, планктона в море, тухлой рыбы), трухлявых пней.

Электролюминесценция – свечение разреженных газов при пропускании через них электрического тока: полярное сияние, порождаемое потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем, газосветные трубки, лампы дневного света.

Фотолюминесценция – свечение тела под действием света. В 1852 г. Стокс сформулировал один из основных законов фотолюминесценции: длина волны люминесценции всегда больше длины волны возбуждающего света. Ультрафиолетовые (УФ) лучи могут вызвать синее свечение, синие – зелёное свечение, зелёные – красное. Этот закон можно объяснить с точки зрения теории квантов. Энергия возбуждающего кванта h частично превращается и в другие виды энергии. Поэтому энергия h₀ излучаемого кванта должна быть меньше: h₀ < h, – следовательно, ₀ < , или где ₀ – длина волны люминесценции, – длина волны возбуждающего света. Например, невидимые УФ-лучи могут превратиться в видимый свет. На этом эффекте работают люминесцентные лампы – экономичные источники света, испускающие излучение, приближающееся по своему составу к солнечному.

Не все виды люминесценции можно наблюдать невооружённым глазом. Например, растения переизлучают свет в красном и ближнем инфракрасном диапазоне после облучения видимым светом. Послесвечение тканей растений очень слабое и в основном лежит за пределами видимого спектра электромагнитных волн. Например, лист герани начинает светиться в темноте через секунду после облучения (его наблюдали с помощью электронно-оптического преобразователя).

Как уже говорилось, свечение люминофоров происходит не только во время облучения, но и некоторое время после его прекращения. Например, если сернистый цинк, содержащий примесь меди, облучить ярким солнечным светом, а затем перенести в тёмную комнату, он будет светиться несколько часов тусклым голубовато-зелёным светом, интенсивным настолько, что можно различать предметы. Кристаллические вещества, способные светиться несколько часов, называются кристаллофосфрами. Эти вещества являются своеобразными аккумуляторами солнечной энергии.

Люминесценция – явление сравнительно редкое. Тем не менее оно изучалось ещё Аристотелем, а в Средние века – Галилеем. В России на него первым обратил внимание М.В.Ломоносов.

• Свечение живых организмов

Интересным случаем люминесценции является свечение живых организмов. Существует около двух тысяч видов светящихся жуков, много видов комаров, других светящихся насекомых. Люминесцируют многие глубоководные рыбы и животные. Например, у рыбы-удильщика на голове имеется длинная «удочка» (у некоторых рыб она в 10 раз длиннее тела), на конце которой приманка – небольшой светящийся шарик. Снаружи он покрыт чёрным «покрывалом» из особых клеток. При их расширении свет гаснет, при сужении – пробивается наружу. Под «покрывалом» находится прозрачный слой, выполняющий роль линзы. Полость шарика заполнена светящимися бактериями, плавающими в жидкости. Обманутая рыба, кальмар или рак бросаются на огонёк и попадают в зубы. Учёные считают, что около 90% всех глубоководных животных имеют светящиеся органы, которые своим светом отпугивают врагов и приманивают добычу. Многие обитатели глубин, спасаясь от преследования, выбрасывают облако светящейся слизи, ослепляющей нападающего хищника.

Светящиеся грибы, медуза и кальмар (вампир адский)

• Примеры использования люминесценции

Люминофорами покрывают стрелки и шкалы приборов для того, чтобы можно было считывать показания в темноте. При этом в люминофор добавляют немного солей радия, тогда люминофор светится в течение нескольких лет.

Широко используется в технике люминесцентная дефектоскопия. Чтобы обнаружить дефект на металлических изделиях, их окунают в жидкий люминофор и вытирают, так что люминофор остаётся лишь в мельчайших трещинах. Затем деталь освещают ультрафиолетовым светом кварцевой лампы. Люминофор в трещинах светится, дефекты становятся видимыми.

Люминофором покрывают кинескопы телевизоров, экраны осциллографов и рентгеновских трубок. С помощью люминесцентного анализа определяют химический состав вещества, облучая предмет ультрафиолетовыми лучами и анализируя цвета свечения. Люминесцентный анализ используется также в археологии для чтения стёртых надписей в старинных рукописях и книгах по оставшимся следам краски, которые под действием УФ-излучения начинают светиться. Люминесценцию применяют в горном деле для обнаружения в добытой породе вкраплений алмазов: под действием УФ-излучения алмазы люминесцируют.

В искусстве дизайна широко используются флуоресцентные краски – с добавлением люминофоров. Такие краски применяются также при изготовлении дорожных знаков (ярко горящих в свете фар автомобиля), автомобильных государственных номерных знаков, форменных нашивок сотрудников ГИБДД, синтетического материала для школьных рюкзаков, а также для нанесения дорожной разметки, ярких красно-оранжевых полос на лобовые части локомотивов и электропоездов и т.д.

• Демонстрации люминесценции

Освещают УФ-источником набор трубок с флюо-ресцирующими жидкостями, раствор хвойного экстракта, набор по фосфоресценции, трубка вакуумная с мельничкой, трубки Геслера с двумя жидкостями, последними включить газоразрядные трубки с неоном, аргоном, парами ртути, показать их спектр и перейти к спектральному анализу.

• Интересный случай описывается в книге В.Сибрука «Роберт Вуд», посвящённой замечательному американскому физику, которого часто называют отцом современной физической оптики: «В университетском пансионе уже давно среди жильцов-студентов ходило страшное подозрение, что утреннее жаркое приготовляется из остатков вчерашнего обеда, собранных с тарелок. Но как доказать это? Вуд почесал в затылке и сказал: “Я думаю, что мне удастся это доказать при помощи горелки и спектроскопа”. Он знал, что хлористый литий совершенно безопасное вещество, вполне похожее на обыкновенную соль и видом, и вкусом. Он также знал, что спектроскоп даёт возможность открыть мельчайшие следы лития в любом материале, если сжечь в бесцветном пламени. Литий даёт известную красную спектральную линию. Так был задуман адский заговор против хозяйки пансиона, и когда на следующий день студентам был подан на обед бифштекс, Роб оставил на своей тарелке несколько больших и заманчивых обрезков, посыпанных хлористым литием. На следующее утро частички завтрака были спрятаны в карман, отнесены в лабораторию и подвергнуты сожжению перед щелью спектроскопа. Предательская красная линия лития появилась – слабая, но ясно видимая. Слава этой истории следовала за Вудом в течение всей его карьеры».

• Вывод о значении спектрального анализа

• Задание: составить синквейн

Пример

1. Свет.

2. Видимый и невидимый.

3. Излучается, поглощается, возбуждается.

4. Атом возбуждается, энергия излучается.

5. Красивые явления.

• ДЗ: § 79, 80 по учебнику В.А.Касьянова «Физика-10». – М.: Дрофа, 2002.