Atoma spektri

- [Instruktors] Mēs varam vērot zvaigznes vai miglājus,

vai pat planētas, kas atrodas ļoti, ļoti tālu,

un noteikt, no kā tie sastāv, kādi elementi

tajos atrodas?

Bet kā mēs to darām?

Kā mēs varam sēdēt šeit uz Zemes

un noskaidrot, kādi elementi atrodas,

teiksim, kādas eksoplantētas atmosfērā?

Mēs to darām, izmantojot atomu spektrus

un spektrālo analīzi.

Bet kas tieši tie ir? Noskaidrosim.

Sāksim ar atoma modeļa aplūkošanu,

un mēs aplūkosim vienkāršāko - ūdeņraža atomu.

Ūdeņraža atoma iekšienē

mēs zinām, ka ir viens protons un viens elektrons,

un vispopulārākajos attēlojumos

mēs rādām elektronu riņķojam ap protonu, vai ne?

Bet tas nav pareizais modelis,

jo elektroni nav sīkas matērijas bumbiņas,

kas riņķo šādi, kā planētas.

Tā vietā tie ir kvantu objekti, kuriem piemīt gan daļiņu,

gan viļņu īpašības,

un viena no viļņu īpašībām ir tā, ka viļņi ir izplūduši.

Tie neatrodas kādā konkrētā vietā,

bet ir izplūduši,

kas nozīmē, ka arī elektroni ir izplūduši.

Mēs to saucam par elektronu mākoni,

un šiem elektronu mākoņiem var būt dažādas formas.

Piemēram, ja mēs apskatām ūdeņradi

tā zemākajā enerģijas līmenī, tad elektrona forma

izskatās apmēram šādi.

Tā ir kā sfēra.

Un tas nav tā, ka elektrons riņķo šeit.

Nē, nē, nē, šis mākonis, ko es te uzzīmēju,

pats reprezentē elektronu.

Tagad galvenais jautājums mums.

Kas notiek ar šo atomu, ja mēs tam pievadām enerģiju?

Kad tu tam pievadi enerģiju,

elektrons absorbē enerģiju,

un jautājums ir - kas ar to notiek?

Nu, ja ir pietiekami daudz enerģijas,

tad elektrons var to absorbēt un vienkārši pamest atomu.

Tādā gadījumā elektrons vienkārši izbēg

un tev paliek tikai viens protons, labi?

Bet kas notiek, ja tu nedod tam tik daudz enerģijas?

Kas notiek, ja tu dod tam nedaudz enerģijas,

nepietiekami, lai tas izbēgtu,

bet tikai nedaudz enerģijas?

Kas tad notiek?

Ak, tagad var notikt interesantas lietas,

un lai to saprastu, izmantosim analoģiju.

Mana mīļākā analoģija ir domāt par aku,

kurā tev ir bumba.

Šī bumba ir analoģiska elektronam,

tāpat kā šī bumba sēž akas iekšienē,

un ja mēs gribam, lai tā bumba izkļūtu no akas,

mums jāpievada tai enerģija, pietiekami daudz enerģijas.

Līdzīgā veidā arī šis elektrons,

šis elektrona mākonis arī atrodas akā.

Atšķirība ir tā, ka šeit tev ir fiziska aka,

ko rada gravitācija.

Šeit tā ir citāda veida aka.

Tā ir aka, ko rada elektriskais spēks.

Mēs to saucam par potenciālo aku vispārīgi,

bet ideja ir tā pati.

Lai izkļūtu no akas, mums jāpievada

pietiekami daudz enerģijas, vai ne?

Un tagad lielais jautājums bija

kas notiek, ja tu nepievadi tik daudz enerģijas?

Kas notiek, ja tu pievadi nedaudz enerģijas?

Kas tad notiks?

Nu, mēs varētu domāt, ka nekas nenotiks.

Ja es pievadīšu nedaudz enerģijas, nu,

tā atgriezīsies lejā, vai ne?

Izrādās, ka potenciālā aka šeit

nav šāda.

Tā vietā potenciālo aku var iedomāties

kā izskatās apmēram šādi.

Ko mēs redzam, ir tas, ka ir dažādi līmeņi,

kuros bumba var atrasties.

Tagad tā ir savā zemākajā līmenī,

kuru mēs numurēsim kā pirmo.

Tagad, ja tu pievadi šādu enerģijas daudzumu,

bumba patiesībā var nonākt otrajā līmenī.

Tas ir iespējams, ir cits enerģijas līmenis,

kurā bumba var atrasties.

Ja tu pievadītu vēl vairāk enerģijas,

bumba var nonākt nedaudz augstākā enerģijas līmenī

un tā tālāk.

Miniet ko? Tas pats attiecas uz mūsu elektroniem.

Tagad šis elektrons ir savā zemākajā līmenī,

bet ir citi augstāki līmeņi, ko tas var aizņemt.

Ja pievada tieši pietiekami enerģijas, tas var pārlēkt uz augstākiem līmeņiem.

Un kad tas to dara,

elektrona mākonis mainīs savu formu.

Ļaujiet man dot jums piemēru.

Tātad, ja mēs pievadām tieši pietiekami enerģijas,

lai elektrons varētu pārlēkt uz,

teiksim, nākamo līmeni šādi,

tad elektrona forma mainīsies.

Jaunā forma izskatīsies apmēram šādi.

Tas ir otrajā enerģijas līmenī,

nākamajā pieejamajā enerģijas līmenī.

Un tu vari redzēt, tāpat kā bumba

tagad ir tālāk no Zemes,

no zemes, jo tai ir augstāka enerģija,

līdzīgi tu vari redzēt, ka elektrona mākonis

ir it kā lielāks, jo tam ir vairāk enerģijas, vai ne?

Bet izrādās, un atšķirībā no tā, ko mēs redzam šeit,

ir citas formas, kādas elektroni var pieņemt

šajā jaunajā enerģijas līmenī.

Piemēram, cita forma, ko elektrona mākonis var pieņemt,

izskatās apmēram šādi.

Tas ir diezgan forši, vai ne?

Neuztraucies pārāk daudz par to, kā mēs iegūstam šo formu

un visu pārējo.

Vienkārši tas ir fakts,

ka ir vairākas formas, kādas tas var pieņemt,

bet kas ir svarīgi, ir tas, ka tagad

šis elektrons ir augstākā enerģijas līmenī,

otrajā pieejamajā enerģijas līmenī.

Un ja es pievadu vēl vairāk enerģijas,

atkal, tieši pietiekami enerģijas, lai nokļūtu nākamajā līmenī,

nu, forma atkal mainīsies.

Tā kļūs vēl lielāka.

Un šajā līmenī tai var būt vēl vairāk formu.

Tas ir diezgan forši, bet šis ir modelis, kas mums ir šodien.

Šis ir kvantu mehāniskais atomu modelis.

Un lai dotu dažus tehniskus nosaukumus,

šīs dažādās formas, par kurām mēs runājām,

mēs saucam par orbitālēm.

Ievēro, tā nav orbīta.

Nav tā, ka elektrons riņķo orbītā.

Šis visas mākonis pats reprezentē elektronu,

un mēs to saucam par orbitāli.

Un šiem enerģijas līmeņiem,

mēs arī dodam nosaukumu.

Mēs to saucam par galveno kvantu skaitli.

Skaists nosaukums, bet viss, ko tas mums pasaka,

ir kādā enerģijas līmenī šīs orbitāles atrodas, vai ne?

Visām orbitālēm ar konkrētu kvantu skaitli

vienmēr būs vienāds enerģijas līmenis, labi?

Un, protams, ja tu domā,

kā mēs pievadām šo enerģiju?

Nu, ir vairāki veidi, kā to izdarīt.

Ar sadursmi, sildot atomus,

vai pat apstarojot tos ar gaismu.

Ir vairāki veidi, kā mēs varam pievadīt enerģiju.

Vienkārši, ja tu pievadi pareizo enerģijas daudzumu,

elektroni var pārlēkt uz augstākiem enerģijas līmeņiem.

Bet mūsu nolūkiem formas,

orbitāles nav īpaši svarīgas.

Kas ir svarīgi, ir šie dažādie enerģijas līmeņi

un saprast, kas notiek, kad elektroni pārlec

no viena uz citu, vai ne?

Tāpēc attiecībā uz to, atbrīvosimies no formām

un izmantosim apļus, lai attēlotu dažādos enerģijas līmeņus.

Tātad atkal, ko es te uzzīmēju, skaties,

tas attēlo pirmo enerģijas līmeni,

kas ir pieejams elektronam.

Tas nenozīmē, ka elektroni riņķo

šeit, labi?

Tad tev ir otrais enerģijas līmenis.

Tāpat kā mēs redzējām orbitālē,

otrais enerģijas līmenis ir lielāks.

Trešais enerģijas līmenis ir vēl lielāks,

tas ir vēl tālāk, un tā tālāk.

Un atkal, šie ir galvenie kvantu skaitļi,

kas attēlo enerģijas līmeņus,

bet cik tādu enerģijas līmeņu mums ir?

Tas ir labs jautājums.

Nu, izrādās, ka es esmu uzzīmējis tikai četrus,

bet izrādās, ka ir bezgalīgi daudz enerģijas līmeņu,

ko var iegūt.

Tu vari iedomāties, ka liec bezgalīgi daudz

pakāpienu šeit, un tu to vari darīt.

Ja tu turpini samazināt pakāpienu izmēru,

tu vari iedomāties, ka tu vari turpināt iespiest

daudz, daudz, daudz, daudz pakāpienu.

Tieši tā ir ar enerģijas līmeņiem.

Un mēs varam to parādīt, izmantojot diagrammu,

enerģijas līmeņu diagrammu, kas izskatās apmēram šādi.

Skaties, šis ir pirmais enerģijas līmenis,

otrais enerģijas līmenis, trešais enerģijas līmenis,

ceturtais enerģijas līmenis, piektais, sestais, septītais, astotais, devītais,

un galu galā tev ir bezgalīgais enerģijas līmenis.

Tas nenozīmē, ka vajag bezgalīgu enerģiju,

lai nokļūtu šeit, nē, nē, nē.

Skaties, skaties, vajag galīgu enerģijas daudzumu,

lai pārietu no šejienes uz šejieni,

bet es esmu ielicis bezgalīgi daudz pakāpienu pa vidu,

samazinot pakāpiena izmēru, vai ne?

Līdzīgā veidā tu vari domāt,

ka ir bezgalīgi daudz līmeņu,

ko mēs varam ielikt no šejienes līdz šejienei, labi?

Tu vari iedomāties, ka kad tu esi ļoti tālu

no protona, tu esi praktiski

bezgalīgajā enerģijas līmenī.

Tātad tev nevajag bezgalīgu enerģiju,

lai patiesībā nokļūtu šeit, labi?

Jebkurā gadījumā, tagad rodas jautājums,

kas notiek, kad elektroni pārlec uz augstāku enerģijas līmeni?

Nu, pirmkārt, mēs saucam šo par pamata stāvokli,

un mēs saucam šos citus augstākos enerģijas līmeņus

par ierosināto stāvokli.

Tātad pieņemsim, ka mēs uzsildām atomu

un elektrons pārlec no pamata stāvokļa

uz trešo līmeni, ierosināto stāvokli šeit, labi?

Kas notiek ar to?

Izrādās, elektroni nevar ilgi palikt ierosinātā stāvoklī,

jo tie ir ļoti nestabili,

un tāpēc tie uzreiz centīsies pārlēkt atpakaļ

uz jebkuru zemāku pieejamo enerģijas līmeni.

Tātad ir iespējams, ka tas var pārlēkt tieši no trešā uz pirmo,

vai arī ir iespējams, ka tas var pārlēkt no trešā uz otro,

un tad no otrā uz pirmo, viss ir iespējams, labi?

Un kad tas to dara, kad tas pārlec no augstāka līmeņa

uz zemāku līmeni, elektrons ir zaudējis nedaudz enerģijas.

Kur enerģija pazūd? Enerģijai kaut kur jāpaliek.

Enerģijas nezūdamība, šī enerģija iziet

kā gaismas fotons.

Tātad, piemēram, ja elektrons pārlec no trešā līmeņa

uz otro līmeni, tas izstaro gaismas fotonu,

un šim fotonam būs tāda pati enerģija

kā starpība starp šīm divām enerģijām.

Tagad izrādās ūdeņradim,

ja tu patiešām veic aprēķinus,

starpība starp enerģijas līmeņiem trešajam

un otrajam līmenim, šī enerģija atbilst

sarkanas gaismas krāsai.

Tu vari atcerēties, ka fotona enerģija ir saistīta

ar tā frekvenci vai viļņa garumu.

Jo lielāka fotona enerģija, jo lielāka tā frekvence,

vai īsāks ir viļņa garums.

Šai konkrētajai enerģijas starpībai viļņa garums

vai frekvence izrādās sarkanās krāsas diapazonā.

Līdzīgi, kas notiktu, ja elektrons

pārlektu no ceturtā uz otro?

Nu, tu vari iedomāties, ka no ceturtā uz otro ir lielāks lēciens,

kas nozīmē vairāk zaudētas enerģijas,

tāpēc fotona enerģija būs lielāka.

Tāpēc frekvence būs augstāka nekā sarkanajai krāsai.

Izrādās, tā būs kaut kur zilās krāsas apgabalā.

Un ja lēciens ir no piektā uz otro un sestā uz otro,

tas būs vēl vairāk violetā, indigo virzienā.

Un tad no septītā uz otro un tā tālāk,

tas kļūst ultraviolets, mēs to nevarēsim redzēt.

Labi, kā ar citiem lēcieniem?

Piemēram, tev ir, teiksim, lēciens no otrā uz pirmo.

Nu, izrādās, ka šis enerģijas lēciens ir tik liels,

un es droši vien neesmu to precīzi uzzīmējis,

bet izrādās, ka tas ir tik liels,

ka pat tas atrodas ultravioletajā apgabalā,

ko mēs nevarēsim redzēt.

Faktiski, izņemot šos četrus, ūdeņradim,

izņemot šos četrus lēcienus,

visi pārējie lēcieni būs vai nu

ultravioletajā apgabalā, pārāk augsta frekvence, lai mēs redzētu,

vai arī būs pārāk mazi, pārāk zema frekvence,

kā enerģijas starpība šeit, kā no ceturtā uz trešo

vai piektā uz ceturto vai sestā uz trešo, tie būs tik mazi,

ka atkal,

frekvence būs pārāk zema, lai mēs redzētu.

Attiecībā uz ūdeņradi,

tikai šie četri lēcieni ir redzami mums.

Tas nozīmē, ka tās ir vienīgās četras krāsas,

ko ūdeņraža gaisma izstaros redzamajā apgabalā,

tātad tas nozīmē, ja tu paņemtu ūdeņraža gāzi

un tad to uzkarsētu, tad, tā kā ir tik daudz atomu,

būs tik daudz elektronu pāreju,

kas nepārtraukti notiek, gandrīz visi iespējamie lēcieni,

par kuriem tu vari domāt, notiks,

un tāpēc gaisma izies

un ūdeņraža gāze mirdzēs,

bet redzamajā daļā gaisma būs sastāvēs tikai

no šiem četriem specifiskiem viļņu garumiem.

Tātad mēs redzēsim gaismu, kas ir kombinācija

no šiem četriem viļņu garumiem.

Un ja mēs tad izmantotu, teiksim, prizmu

vai kaut ko līdzīgu difrakcijas režģim,

kas var atdalīt šos konkrētos garumus,

tad tu vari redzēt šos četrus individuālos viļņu garumus atsevišķi,

un tas izskatīsies apmēram šādi.

Un mēs to sauksim par atomu spektru

jeb ūdeņraža spektru.

Un kas ir forši par atomu spektru,

ir tas, ka katram elementam būs savi enerģijas līmeņi.

Tas nozīmē, ka katrs elements izstaros ļoti specifiskas krāsas

gaismu, ļoti specifiskus viļņu garumus.

Tātad šie viļņu garumi ir specifiski ūdeņradim.

Hēlijs, piemēram,

dos pavisam citus viļņu garumus.

Ļauj man parādīt, kā izskatās hēlijs. Tas izskatās šādi.

Šie viļņu garumi

ir raksturīgi hēlijam.

Tātad tas nozīmē, ka atomu spektrs ir kā paraksts

šim elementam.

Tātad rīt, ja mums būtu nezināma gāze

un mēs gribētu noskaidrot, no kā tā sastāv,

mēs vienkārši to uzkarsētu un paskatītos uz tās spektru,

un ja šis spektrs izskatās šādi,

tad ko mēs varam darīt, mēs varam teikt,

mēs varam paskatīties uz šīm līnijām un varam teikt

hei, hei, skaties, skaties,

šīs līnijas nāk tikai no ūdeņraža,

tātad tajā jābūt ūdeņradim.

Un tad mēs varam paskatīties uz šiem viļņu garumiem un teikt hei,

šie viļņu garumi nāk tikai no hēlija.

Neviens cits elements nedos šīs līnijas,

tātad tajā jābūt arī hēlijam, un tā tālāk.

Un skatoties uz spilgtumu,

mēs varam arī noteikt, kurš ir vairāk izplatīts.

Tātad, piemēram, šeit tu vari redzēt,

ka ūdeņraža līnijas ir spilgtākas,

tātad mēs varam teikt, ka ir vairāk ūdeņraža nekā hēlija.

To sauc par spektrālo analīzi.

Un starp citu, šāda veida spektrs

tiek saukts par emisijas spektru,

jo spektrs, ko mēs iegūstam,

jo šīs specifiskās krāsas tiek izstarotas no atomiem.

Bet tu varbūt domā,

vai ir kāds cits spektra veids?

Jā, ja tu paskatītos uz spektru,

ko tu iegūsti, teiksim, no saules, tu neredzēsi šo.

Tā vietā tu redzēsi nepārtrauktas krāsas

un dažas līnijas būs absorbētas.

Faktiski, tās specifiskās līnijas, ko mēs tikko uzzīmējām šeit

emisijas spektrā,

šīs līnijas patiesībā būs absorbētas.

Un tajā spektrā būs citi elementi,

un tāpēc būs arī citas līnijas.

Bet līnijas izskatīsies absorbētas,

dažas krāsas būs absorbētas,

un to mēs saucam par absorbcijas spektru.

To mēs iegūsim, ja paskatīsimies uz,

teiksim, saules spektru, bet kāpēc mēs to iegūstam?

Kāpēc mēs iegūstam kaut ko tādu?

Nu, paskatīsimies.

Kad tu skaties uz sauli, piemēram,

saules kodols ir ārkārtīgi karsts, vai ne?

Ļoti karsts, un šādi karsti, blīvi objekti

mēdz izstarot baltu gaismu.

Visas krāsas, tie nedara šo,

tie izstaro tikai baltu gaismu, labi?

Tātad, ja tu vienkārši redzētu šo konkrēto gaismu

caur prizmu, tad mums vajadzētu sagaidīt

tikai visas varavīksnes krāsas, vai ne?

Tomēr ārējais slānis ir daudz vēsāks,

tāpēc atomi šeit absorbēs gaismu šeit.

Tagad, ja ir ūdeņradis, piemēram,

kuras gaismas krāsas,

kurus viļņu garumus tas absorbēs?

Tas absorbēs tikai tos viļņu garumus,

kuru fotoniem ir tieši pietiekami enerģijas,

lai dotu tiem šīs pārejas,

kas nozīmē redzamajā daļā,

tie absorbēs šīs specifiskās gaismas krāsas.

Un līdzīgi, ja tur ir hēlijs un ogleklis,

tie visi atkal absorbēs

savas raksturīgās krāsas.

Un tāpēc šīs specifiskās krāsas būs pazudušas,

un tāpēc mēs redzēsim tumšas līnijas šeit.

Bet pagaidi, kad tie absorbē tās,

vai tiem nevajadzētu arī atkal tās izstarot?

Jā, tie izstaro šīs krāsas,

bet kad tu skaties šeit,

šīs krāsas tiks absorbētas no ārējā slāņa

un tad tās tiks izstarotas visos citos virzienos.

Tās tiks izstarotas atpakaļ visos citos virzienos,

bet tās tiks izstarotas visos citos virzienos.

Tātad galvenokārt šajā virzienā šīs krāsas būs pazudušas,

un tāpēc tu iegūsti absorbcijas spektru.

Bet analīze ir tā pati.

Skatoties uz to, kuras krāsas tiek absorbētas,

kuri konkrētie viļņu garumi tiek absorbēti,

tu vari identificēt, kuri elementi ir klātesoši,

teiksim, ārējā atmosfērā šeit.

Šādi mēs nosakām elementus, kas ir klātesoši

dažādu eksoplanētu atmosfērā, piemēram.

Tātad, vai tu iegūsti absorbcijas spektru

vai emisijas spektru, patiesībā ir atkarīgs

no tava skatīšanās leņķa.

Bet neatkarīgi no tā, analīze paliek tā pati, labi?

Tagad, šeit ir forša kopsavilkums,

ko es atradu Webb teleskopa lapā šeit, labi?

Kopsavilkums visam, ko mēs redzējām,

gaisma, ko mēs iegūstam tieši no karstiem avotiem,

būtu nepārtraukts spektrs.

Ja ir lietas, kas ir relatīvi vēsākas gāzes,

kā, teiksim, miglāji vai ārējie slāņi,

tad tie absorbēs,

un tagad tu redzēsi absorbcijas spektru.

Bet ja tavs skatīšanās leņķis ir tāds,

ka tu tieši redzi gaismu, kas nāk no šīm gāzēm,

kas absorbē gaismu, tad tu varēsi

redzēt emisijas spektru.