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.
| Скок | Енергия на фотона | Дължина на вълната | Линия |
|---|---|---|---|
| 3 → 2 | 1,89 eV | 656,3 nm | червена |
| 4 → 2 | 2,55 eV | 486,1 nm | синьо-зелена |
| 5 → 2 | 2,86 eV | 434,1 nm | синя |
| 6 → 2 | 3,02 eV | 410,2 nm | виолетова |
| 2 → 1 | 10,20 eV | 121,6 nm | невидима: ултравиолетова |
| 4 → 3 | 0,66 eV | 1875,1 nm | невидима: 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.