Номер 13, страница 130 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

13. Почему спектр излучения вещества в газообразном состоянии при высокой температуре и низком давлении состоит из отдельных цветных линий?

Спектр излучения вещества в газообразном состоянии при высокой температуре и низком давлении является линейчатым (состоит из отдельных цветных линий) из-за квантовой природы строения атома.

В условиях низкого давления атомы газа находятся на значительном расстоянии друг от друга и практически не взаимодействуют. Поэтому каждый атом излучает свет независимо от других. Высокая температура сообщает атомам энергию, необходимую для их возбуждения.

Согласно квантовой теории, электроны в атоме могут находиться только на определённых, дискретных энергетических уровнях. Эти уровни стационарны, и находясь на них, атом не излучает энергию. При поглощении энергии (например, при столкновениях в нагретом газе) электрон может перейти с более низкого энергетического уровня $E_n$ на более высокий $E_m$. Такое состояние атома называется возбуждённым.

Возбуждённое состояние нестабильно. Через очень короткое время (порядка $10^{-8}$ с) электрон самопроизвольно возвращается на один из нижележащих, более устойчивых уровней. При этом переходе атом излучает избыток энергии в виде кванта света — фотона. Энергия этого фотона $ΔE$ в точности равна разности энергий тех уровней, между которыми произошёл переход:

$ΔE = E_m - E_n$

Энергия фотона связана с частотой $ν$ и длиной волны $λ$ излучаемого света соотношением:

$ΔE = hν = \frac{hc}{λ}$

где $\text{h}$ — постоянная Планка, а $\text{c}$ — скорость света в вакууме.

Поскольку для каждого вида атомов существует свой уникальный и строго определённый набор возможных энергетических уровней, то и набор возможных переходов электронов также дискретен. Следовательно, атомы данного химического элемента могут излучать фотоны только с определёнными, характерными для них энергиями. Каждой такой энергии соответствует строго определённая длина волны (и, соответственно, цвет в видимой части спектра).

В результате при разложении света, излучаемого разреженным атомарным газом, с помощью спектрального прибора (например, призмы или дифракционной решётки) на экране наблюдается не сплошная радужная полоса (сплошной спектр), а набор отдельных ярких цветных линий. Каждая линия — это изображение входной щели прибора в свете определённой длины волны, соответствующей одному из возможных переходов электрона в атоме.

Ответ: Спектр излучения вещества в газообразном состоянии при высокой температуре и низком давлении состоит из отдельных линий, потому что атомы вещества изолированы и могут излучать свет только при переходе электронов между строго определёнными, дискретными (квантованными) энергетическими уровнями. Каждый такой переход порождает фотон с определённой энергией и, следовательно, определённой длиной волны (цветом), что и наблюдается в виде отдельной спектральной линии.