Свободна лаборатория · 14–18 години

Баркодът на светлината

Нажежената жичка свети с всички цветове. Светещият газ – не. Прочети защо, после провери сам в симулацията.

Линии вместо дъга

Пусни светлината на тръбичка с разреден газ през дифракционна решетка. Вместо непрекъсната дъга ще видиш отделни цветни линии, а между тях – тъмно. Всеки газ има свой собствен набор от линии, като баркод: водородът – четири, хелият – пет, натрият – жълта двойка, неонът – гора от оранжеви и червени линии.

Газът се разпознава не по един цвят, а по точното място на няколко линии. И хелият, и неонът имат жълти линии, без да са натрий.

Стълбата на водорода

Електронът в атома може да стои само на определени „стъпала“ с определена енергия. Когато скочи надолу, атомът изпраща един фотон с енергия, точно колкото е разликата между стъпалата. По-голям скок – повече енергия – по-синя светлина. Горе стъпалата са много близо едно до друго, затова скокът 2 → 1 носи 5,4 пъти повече енергия от скока 3 → 2.

Скокове на електрона във водорода
СкокЕнергия на фотонаДължина на вълнатаЛиния
3 → 21,89 eV656,3 nmчервена
4 → 22,55 eV486,1 nmсиньо-зелена
5 → 22,86 eV434,1 nmсиня
6 → 23,02 eV410,2 nmвиолетова
2 → 110,20 eV121,6 nmневидима: ултравиолетова
4 → 30,66 eV1875,1 nmневидима: инфрачервена

Само скоковете до второто стъпало дават светлина между 400 и 700 nm – затова водородът има точно четири видими линии. Границите на видимото са приблизителни. Някои хора виждат и малко по-далеч.

Тъмните линии на звездите

Звездата свети с непрекъсната дъга, но в нея има тъмни линии. Газът около звездата поглъща точно тези дължини на вълните, на които самият той би светил в лампа. Затова тъмните линии са на същите места като светлите линии на същия газ – и показват кои вещества има в звездата.

През 1868 година, по време на слънчево затъмнение, в светлината от края на Слънцето е видяна жълта линия близо до двойката на натрия, но не на нейното място. Тя не принадлежала на нито едно известно вещество. Новият газ получил име по гръцката дума за Слънцето – хелий – и бил намерен на Земята чак след години.

Решетката и разделителната способност

Решетката не оцветява светлината: тя отклонява всяка дължина на вълната на свой ъгъл. По-гъстата решетка и вторият ред отклоняват на по-голям ъгъл и раздалечават линиите.

Две близки линии се виждат поотделно само ако решетката ги различава. Разделителната способност е ред · гъстота · осветена ширина: при 300 линии на милиметър, 1 mm и първи ред тя е 300 и двойката на натрия (589,0 и 589,6 nm) изглежда като една линия. При 1200 тя се разделя на две.

Какво е условно в симулацията

  • Показани са само силните линии във видимата област. Истинските газове имат стотици линии.
  • Яркостта на линиите е условна: сравнява се само в рамките на един газ, никога между различни газове.
  • Линиите са безкрайно тънки, а близките се сливат изведнъж при ясен праг. В истински уред линията се размива постепенно.
  • Смесите в „Далечната звезда“ са игра: в истинските звезди кои линии се виждат зависи силно от температурата.
  • Цветовете на екрана са приблизителни. Затова всяка линия има и число в нанометри.
  • Обхватът от 380 nm показва допълнително само линиите на водорода, изчислени по стълбата.

Безопасност

  • Никога не гледай към Слънцето – нито с очи, нито през решетка, бинокъл или телефон. Спектърът на Слънцето се гледа само по отразена светлина, например от бял лист.
  • Учебните тръбички с газ светят благодарение на високо напрежение, около 5000 V. Пипа ги и ги сменя само учителят, след като захранването е изключено.
  • Тръбичките са от стъкло и се нагряват. Не ги пипай, докато светят.
  • Опит у дома: спектър се вижда безопасно с огледалната страна на стар компактдиск – гледай улична лампа, свещ или лампа в стаята. Не гледай лазер или силни прожектори отблизо.

Опитът е класически и се среща в много учебни материали.