Химическая связь

Строение атома и Периодический закон [[1]]

Возникновение понятия «квант» в науке. Квантовая теория излучения.

Впервые понятие "квант" (порция) применительно к излучению было сформулировано Максом Планком в 1900 г. для создания теории излучения света нагретыми твердыми телами. Для начала попробуем разобраться, с какой целью создавалась теория излучения и почему потребовалось делить излучение на порции.

Демонстрация:

Спираль обычной электрической лампы накаливания (на 220 В) может светиться разным цветом в зависимости от напряжения (В) – от красноватого при 700⁰С до белого при 2500⁰ С. Если же изменять напряжение на электродах индикаторной неоновой лампы, то при напряжениях от 100 до 220 В розово-красный цвет излучения не меняется.

В чем же причина разной зависимости излучения ламп от напряжения?

Газоразрядные лампы, подобные использованной в эксперименте неоновой, были уже известны в конце 19 века. Несколько раньше в практику лабораторий вошли спектральные измерения. Некоторые газы светятся яркими цветами при пропускании через них электрического тока, – это явление широко используется сейчас для рекламных вывесок. При пропускании света, излучаемого газоразрядными лампами, через призму, он распадается на ряд узких цветных полос. Солнечный свет превращается после пропускания через призму в радугу – набор плавно переходящих друг в друга цветов.

Демонстрация:

Похожую радугу можно получить с помощью призмы и от лампы накаливания. Такую радугу первооткрыватель явления И.Ньютон (17 век) назвал "spectrum" – видение (лат.). Сейчас спектром принято называть любой график (или фотографию), на котором изображены длины волн и энергия излучения, соответствующая каждой волне. Цвета в радуге соответствуют определенным длинам световых волн. Человеческий глаз видит в диапазоне волн примерно от 400 нм до 800 нм (1 нм = 10^-9 м). Коротковолновый предел соответствует фиолетовому цвету, длинноволновый – красному. Точные измерения показали, что и солнце, и спираль лампы накаливания излучают невидимый глазом свет – с длинами волн меньше 400 нм (ультрафиолетовый) и больше 800 нм (инфракрасный).

Лампа накаливания излучает энергию в широком диапазоне длин волн, причем большая часть излучения приходится на тепловые (инфракрасные) волны. Доля видимого света в общем потоке излучения такой лампы составляет не более 3%. Согласно теории классической физики, если энергия излучения непрерывна, то любое тело с температурой выше абсолютного нуля должно излучать энергию и охлаждаться. Согласно той же классической физике, нагретая до 2500⁰ С спираль должна в основном излучать видимый и ультрафиолетовый свет. Это противоречие теории и эксперимента было устранено, когда М.Планк предположил, что свет может излучаться не непрерывно, а только порциями – квантами. Энергия каждой порции связана с длиной волны:

E = hc/l,

где h – постоянная Планка, с – скорость света, l – длина волны излучения.

В результате для нагретых тел были получены теоретические графики зависимости энергии от длины волны при разных температурах, совпадающие с экспериментальными.

Согласно теории М.Планка, спектр излучения твердого тела будет казаться нам непрерывным из-за огромного числа близких по энергии квантов, в том числе и очень "слабых", возникающих при взаимодействии атомов и молекул. Спектр излучения возбужденного электричеством газа при небольшом давлении будет, наоборот, линейчатым, т.е. содержать не очень много различных по энергии квантов. Забегая вперед, скажем, что неон начинает излучать свет только в том случае, когда подводимая энергия становится достаточной для электронных переходов в его атомах, причем дальнейшее увеличение энергии обычно не приводит к появлению переходов с большей энергией. Эксперименты показывают, что при увеличении давления возбуждаемого электричеством газа в спектре его излучения за счет взаимодействия между атомами появляется все больше новых линий, и при высоком давлении газа спектр становится почти непрерывным.

Теория Планка не могла объяснить, почему кванты излучения неоновой лампы остаются неизменными при значительном увеличении электрического напряжения, т.е. подводимой к излучателю энергии. Оставались также необъяснимыми спектры излучения газов и паров, которые, в отличие от спектров твердого тела, представляют собой не радугу, а набор отдельных узких ярких полос. Очевидно, что необходимо было найти законы, по которым формируются кванты излучения в веществе. Когда система этих законов была создана в первой четверти нашего века, оказалось, что она позволяет объяснить и предсказать не только происхождение квантов, но и химические свойства элементов.