conform căreia materia nu este infinit divizibilă și introduce noțiunea de atom. Atomos (ἄτομος) în
limba greacă însemnând indivizibil. Democrit, un discipol al lui Leucip, dezvoltă această teorie și
concluzionează că materia este alcătuită din niște particule invizibile, indivizibile și eterne numite
atomi. Aici trebuie să remarcăm că această teorie se bazează pe considerente pur filozofice și nu pe
fapte experimentale. De asemenea trebuie remarcat faptul că această teorie a marcat atât evoluția
filozofiei materialiste despre lume și viață, cât și dezvoltarea și evoluția științelor naturii.
Concepția modernă de atom și moleculă a fost creată de chimie și ulterior preluată de fizică.
Implementarea teoriei atomiste în fizică s-a produs în trei etape.
A. Prima etapă în evoluția teoriei atomiste despre atom s-a produs în anul 1808, când chimistul englez
John Dalton a făcut următoarele remarci:
a) Elementele chimice sunt realizate din particule extrem de mici, numite atomi.
b) Atomii unui element chimic sunt identici ca dimensiune, masă, și alte proprietăți.
c) Atomii nu pot fi divizați, creați, sau distruși.
d) Atomii diferitelor elemente se combină într-un raport simplu pentru a forma compuşi chimici,
care exprimă legea proporțiilor definite, așa cum este cunoscută în chimie.
e) În reacţii chimice, atomii se combină, se separă, sau se reordonează.
B. Etapa a doua a avut loc în anul 1811, când chimistul italian Amedeo Avogadro a enunțat legea
care-i poartă numele: Volume egale ale gazelor, la aceeași temperatură și presiune, conțin același
număr de particule (sau molecule), NA, cunoscut sub numele de numărul lui Avogadro.
C. Etapa a treia și ultima s-a produs în anul 1866, când J.C. Maxwell și L. Boltzman, independent
unul de altul au pus bazele teoriei cinetico-moleculare a gazelor, teorie verificată experimental de
A. Einstein în anul 1905, explicând mișcarea Browniană
Sursa de lumină este un corp care datorită unor fenomene fizico-chimice, care se produc în interiorul
ei, poate să emită lumină. Cel mai simplu mod de a produce lumină este să aducem corpul într-o stare
înaltă de încălzire, numită stare de incandescență, dar sunt și alte metode, de ex. utilizarea unui câmp
electric, sau bioluminiscența.
Lumina, așa cum am văzut deja, este un amestec radiații electromagnetice, un pachet de unde.
Dar sursele de lumină emit în același timp și radiații electromagnetice invizibile cu ochiul liber
precum radiațiile infraroșii IR, radiațiile ultraviolet UV, sau radiațiile X.
Trecând prin anumite medii, numite dispersive, lumina se separă în culorile componente. Acest fapt
se vede atunci când se formează curcubeul, lumina trece prin picăturile de apă din atmosferă, sau dacă
utilizăm o prismă optică.
Studiind diferite surse de lumină, oameni de știință au observat că lumina produsă de acestea este
specifică fiecărei surse.
Combinația de unde electromagnetice emisă de o anumită sursă se numește SPECTRU.
Cuvântul vine din limba latină spectrum = imagine. Spectrul este deci imaginea, amprenta luminii.
În Fig. 1 este prezentat spectrul de emisie al Soarelui. Acest spectru se mai numește și spectru continuu. Soarele este singura sursă de lumină care emite toate radiațiile electromagnetice, de aceea spectrul său se numește spectru continuu. Toate celelalte surse emit doar anumite combinații de culori, adică au spectre discontinue, sau discrete. Aparatul folosit pentru descompunerea luminii în culorile
componente este numit spectrograf.
În Fig. 2 sunt prezentate schematic părțile componente ale unui spectrograf, precum și spectrul de
emisie al hidrogenului. Se observă că acest spectru conține doar 4 linii, de fapt 4 culori. Acest tip de spectru se numește spectru de linii. Alte substanțe aduse la incandescență vor emite alte linii spectrale. De ex. dacă presărați puțină sare de bucătărie în flacăra aragazului veți observa ca flacăra se colorează galben. Acest lucru se datorează sodiului, din compoziția chimică a sării de bucătărie. Dacă turnați spirt, de exemplu medicinal, pe o bucată de vată și îi dați foc o să observați că flacăra are culoare albăstruie, de asemenea observați culoarea flăcării aragazului și așa mai departe. Acest fenomen este folosit încă din antichitate, în
diferite ocazii, pentru obținerea flăcărilor de diferite culori, sau la fabricarea artificiilor.
Clasificarea spectrelor
a) Dacă substanța emițătoare de lumină este în
stare atomică, ex. hidrogenul, sodiul, mercurul,
etc. atunci spectrul este un spectru de linii,
Fig. 3a).
b) Dacă substanța care emite lumina este în
stare moleculară, ex. petrolul, metanul, alcoolul,
etc. atunci spectrul caracteristic va fi alcătuit
dintr-o succesiune de linii mai late, numite benzi Fig. 3.
spectrale, iar spectrul respectiv se va numi spectru de bandă, Fig. 3b).
c) Dacă lumina care provine de la o anumită sursă, înainte de a trece prin spectrograf trece printr-un
mediu oarecare, ea va suferi un proces de absorbție. În acest caz spectrul va fi un spectru de absorbție,
Fig. 3c). ATENȚIE! Într-un spectru de absorbție liniile spectrale care lipsesc (liniile negre) sunt
specifice mediului absorbant, mediul prin care trece lumina. De exemplu, dacă într-un spectru al
luminii care a străbătut un anumit mediu lipsesc liniile cu lungimile de undă 410nm, 434nm, 486,1nm,
656,2nm atunci mediul absorbant conține și hidrogen.
Aceste observații au condus oamenii de știință la ideea că studierea spectrelor poate fi utilă în analiza
fizico-chimică a diferitelor materiale. Așa a luat naștere analiza spectrală, care poate fi:
a. analiza spectrală calitativă: în funcție de compoziția spectrului se pot face aprecieri în ce
privește compoziția chimică a unui compus;
b. analiza spectrală cantitativă: în funcție de intensitatea luminoasă a liniei spectrale se pot face
aprecieri în ce privește concentrația unei substanțe dintr-un compus.
3. SERII SPECTRALE
Încă de la începutul studierii spectrelor oamenii de știință au fost de acord că liniile spectrale dintr-un
spectru nu sunt dispuse la întâmplare, ci respectă o anumită lege. Care este această lege o să vedem
puțin mai târziu. Multe substanțe emit spectre sărace în linii, în domeniul vizibil. Acest fapt face ca
analiza spectrală să fie dificilă. În această situație, oamenii de știință au înregistrat spectrele diferitelor
substanțe în domeniile radiațiilor invizibile: IR, UV sau X. În aceste domenii spectrele s-au dovedit 3
generoase în linii și deci, s-au putut obține mai multe informații despre substanța respectivă. Un
exemplu în acest caz este spectrul fierului, care are puține linii în domeniul vizibil, dar este generos în
domeniul UV.
Pentru a sistematiza observațiile referitoare la diferitele spectre, aceste au fost grupate corespunzător
domeniilor de radiație și astfel au fost definite seriile spectrale.
Spectrele obținute în domeniul radiației vizibile au fost grupate și formează seria spectrală Balmer.
Spectrele obținute în domeniul radiației UV au fost grupate și formează seria spectrală Lyman.
Și așa mai departe, în domeniul IR apropiat seria spectrală se numește Paschen, în domeniul IR
mediu seria Brackett, sau IR îndepărtat seriile Pfund și Humphrey.
Pentru a concluziona cele remarcate mai sus, Balmer și ulterior J. Rydberg au dat o formulă empirică
cu ajutorul căreia se putea calcula lungimea de undă a unei anumite linii spectrale:
(1)
Unde ̃ se numește număr de undă, iar R = 1,097373∙107
m
-1
este constanta lui Rydberg, (calculată
empiric).
A. Dacă n1=1, iar n2=2, 3, 4,… seria spectrală se numește Lyman.
B. Dacă n1=2, iar n2=3, 4, 5,… seria spectrală se numește Balmer.
C. Dacă n1=3, iar n2=4, 5, 6,… seria spectrală se numește Pashen.
D. Dacă n1=4, iar n2=5, 6, 7,… seria spectrală se numește Brackett.
E. Dacă n1=5, iar n2=6, 7, 8,… seria spectrală se numește Pfund.
F. Dacă n1=6, iar n2=7, 8, 9,… seria spectrală se numește Humphrey.
4. STRUCTURA ATOMULUI
FENOMENE CARE AU CONDUS LA DESCOPERIREA ELECTRONULUI
Conceptul atomic al substanței a pătruns în teoria electricității independent de teoria gazelor, dar
cam în aceeași perioadă.
În anul 1834 M. Faraday a descoperit legea echivalentelor electrolitice, care spune că o moleculă-
gram de ioni monovalenți, indiferent de natura lor, poartă o anumită sarcină electrică. Dacă ionii sunt
bivalenți sarcina electrică este dublă, și așa mai departe. Pornind de la această observație, fizicienii au
ajuns la concluzia că fiecărui ion i se poate atribui un anumit număr de sarcini elementare. Este de
remarcat faptul că pornind de la legile electrolizei s-a putut stabili, în mod indirect, valoarea sarcinii
electrice elementare: e = 1,6∙10-19
C.
Considerarea electronului drept particulă elementară purtătoare de sarcină electrică negativă a fost
susținută către fizicianul irlandez George Johnstone Stoney în 1874, care a și inventat termenul de
electron, în anul 1894. Etimologic vorbind, termenul de electron provine din limba greacă ήλεκτρον
(electron) = chihlimbar.
Tot în această perioadă s-a declanșat și bătălia pentru „deconspirarea” atomului!
În anul 1876 E. Goldstein, studiind trecerea curentului electric prin gazele rarefiate, în așa numitele
tuburi Crookes, a observat o radiație care pleacă de pe suprafața catodului, pe care a numit-o rază, sau
radiație catodică. Inițial natura acestei radiații a fost vehement contestată, totuși proprietățile ei erau
evidente:
a) Provoacă fluorescența unor substanțe;
b) Se propagă în linie dreaptă;
c) Sunt emise după o direcție perpendiculară pe suprafața catodului;
d) Au energie cinetică;
e) Impresionează placa fotografică;
f) Generează raze X;
g) Sunt deviate în câmpuri electrice și magnetice.
În anul 1897, J.J. Thomson studiind razele descoperite de Goldstein a stabilit că acestea sunt alcătuite
din fluxuri de particule universale, independente de natura gazului, sau de materialul din care este
confecționat catodul, cu sarcină electrică negativă, pe care le-a identificat ca fiind chiar electronii.
FENOMENE DE EXCITARE ȘI IONIZARE
Ciocnirea dintre un electron și un atom poate produce următoarele efecte:
1. e
-
+ A = e-
+ A – ciocnire perfect elastică, cele două particule nu își modifică energia. Acest
lucru arată că nu toate ciocnirile sunt „eficace”, pentru a produce excitare sau ionizare.
2. e
-
+ A = e-
+ A* – excitare, în urma ciocnirii, în anumite condiții, electronul cedează o parte din
energia lui atomului, care va trece pe un nivel energetic superior, iar el va trece pe nivelul
fundamental (nivelul de minimă energie).
3. e
-
+ A = 2e-
+ A+
– ionizare, în urma ciocnirii electronul, care are o energie foarte mare,
expulzează un electron din atom, dar rămâne și el liber.
Dacă electronul are o energie mult mai mare decât energia minimă de excitare sau ionizare, el va fi
capabil să excite și să ionizeze o serie de particule aflate pe traiectoria sa, lăsând o „urmă” de atomi
excitați și ionizați, până când își va pierde toată energia, trecând pe nivelul fundamental. În acest mod
în niște instalații speciale, numite detectoare de particule, se poate identifica traiectoria particulelor
ionizate, ex. camera cu bule, sau camera cu ceață. Acesta este cazul radiațiilor emise de substanțele
radioactive, care au proprietatea de a ioniza mediul prin care trec.
Experienta Frank si Hertz
Pornind de la aceste idei J. Frank și G. Hertz, în 1914 au imaginat un experiment fundamental pentru
verificarea modelului Bohr.
Dispozitivul experimental constă dintr-o triodă, în care grila este plasată foarte aproape de anod. În triodă,
după ce s-a făcut vid, au fost introduși vaporii unei substanțe, în cazul experimentului inițial – vapori de
mercur, Fig. 8.
Între catod și grilă se aplică o tensiune pozitivă, de accelerare, iar între grilă și anod se aplică o tensiune de
frânare foarte mică (sub 1V).Metoda folosită în realizarea acestui experiment se numește metoda câmpului contrar. Electronii emiși de catod sunt accelerați în spațiul catod-grilă, unde vor suferii ciocnirii cu atomii de mercur. Spațiul grilă-anod este foarte îngust, pentru a nu permite ciocniri suplimentare între electroni și atomii de mercur. Astfel electronii vor ajunge direct la anod și vor da naștere unui curent anodic, IA, măsurat de
galvanometru, GV, a cărui valoare creșe o dată cu creșterea tensiunii de accelerare, UCG, Fig.9.
Caracteristica curent-tensiune este asemănătoare caracteristicii unei diode cu vid, curentul anodic tinzând către o valoare de saturație, corespunzătoare colectării tuturor electronilor emiși de filament. În momentul în care tensiunea de accelerare UCG = 4,9V curentul anodic IA scade brusc. Acest lucru se datorează faptului că atunci când electronii emiși de catod capătă energia ε = 4,9 eV, aceștia
nu mai suferă ciocniri elastice cu atomii de mercur, ci vor suferii ciocniri neelastice, transferând atomilor de mercur o parte din energia lor. Devenind prea lenți, electronii nu mai pot traversa câmpul contrar dintre grilă și anod și se vor neutraliza la grilă, iar curentul anodic va scădea brusc. Și așa mai departe, continuând să creștem tensiunea de accelerare UCG, fenomenul se va repeta pentru valori ale UCG multiplu întreg 4,9V, respectiv pentru energii ale electronilor ε = 9,8eV, ε = 14,7eV, etc.
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu