Номер 780, страница 116 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Электромагнитное поле. Преломление света. Физический смысл показателя преломления. Дисперсия света. Цвета тел. Типы оптических спектров - номер 780, страница 116.

Условие.

780. Разреженный межзвёздный газ имеет линейчатый спектр излучения с определённым набором длин волн. В спектре излучения звёзд, окружённых этим газом, наблюдаются линии поглощения с тем же набором длин волн. Чем можно объяснить это совпадение?

Решение.

Это совпадение объясняется фундаментальными свойствами атомов, которые лежат в основе квантовой механики. Атомы любого химического элемента способны поглощать и излучать электромагнитные волны (свет) только на строго определённых длинах волн (или частотах), которые уникальны для каждого элемента.

Процессы излучения и поглощения связаны с переходами электронов в атоме между дискретными энергетическими уровнями.

1. Спектр излучения (линейчатый). Когда разреженный межзвёздный газ возбуждён (например, за счёт энергии от соседних звёзд), его атомы находятся на высоких энергетических уровнях. Они самопроизвольно переходят на более низкие уровни, излучая при этом фотоны. Энергия каждого фотона $E_{\text{ф}}$ строго равна разности энергий между начальным ($E_k$) и конечным ($E_n$) уровнями: $E_{\text{ф}} = E_k - E_n$. Этой энергии соответствует определённая длина волны $\lambda$, согласно формуле $E_{\text{ф}} = \frac{hc}{\lambda}$. Поскольку существует лишь определённый набор возможных энергетических переходов, газ излучает свет только на этих конкретных длинах волн, что мы и видим как линейчатый спектр излучения (яркие линии на тёмном фоне).

2. Спектр поглощения. Звезда излучает свет во всём видимом диапазоне, создавая сплошной (непрерывный) спектр. Когда этот свет проходит через более холодный межзвёздный газ, атомы этого газа поглощают фотоны. Однако атом может поглотить только тот фотон, энергия которого в точности равна энергии, необходимой для перехода электрона с одного разрешённого уровня на другой, более высокий ($E_n \rightarrow E_k$). То есть, атом поглотит фотон с энергией $E_{\text{ф}} = E_k - E_n$. Фотоны с другими энергиями проходят сквозь газ без поглощения. В результате в сплошном спектре звезды появляются тёмные линии на тех самых длинах волн, которые соответствуют поглощённым фотонам.

Таким образом, набор длин волн, которые атомы газа могут излучать (при переходе электронов «вниз» по энергетическим уровням), в точности совпадает с набором длин волн, которые они могут поглощать (при переходе электронов «вверх»). Это явление известно как обращение спектральных линий, и оно является прямым следствием квантованной структуры энергетических уровней атомов.

Ответ: Совпадение наборов длин волн в спектрах излучения и поглощения объясняется тем, что и излучение, и поглощение света атомами газа происходят при переходах электронов между одними и теми же дискретными энергетическими уровнями. Атомы поглощают фотоны с точно такими же энергиями (и, следовательно, длинами волн), какие они излучают при обратных переходах.