Спектр. Условия образования спектров излучения (эмиссии)

Непрерывные спектры

Мы знаем, что с помощью спектрального прибора (призмы или дифракционной решетки) можно «заставить» лучи света, соответствующие разным длинам волн, идти по разным направлениям . Если в свете представлены все длины волн, то на экране мы получаем непрерывный спектр , в котором имеются все цвета от красного до фиолетового, которые плавно переходят один в другой (рис. 24.1).

Рис. 24.1

Рис. 24.2

Распределение интенсивности света по частотам в непрерывном спектре имеет характер, показанный на рис. 24.2. При повышении температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более высоких частот, а при понижении – в сторону более низких.

Такие спектры дают все светящиеся тела, если они находятся в твердом или жидком состоянии (например, лампа накаливания). Солнечный свет, как мы знаем, тоже имеет непрерывный спектр. Непрерывные спектры дают и сильно сжатые газы.

Совсем другую картину мы получим, если пропустим через спектральный прибор свет, исходящий от светящихся разреженных газов . Например, пары натрия дают одну яркую жёлтую линию (и всё!) (рис. 24.3, 1). Спектр атомарного водорода дает четыре четких линии (рис. 24.3, 2), а спектр гелия – семь линий (рис. 24.3, 3). Заставить газ светиться можно, лишь нагрев его до высоких температур или пропуская через него электрический разряд.

Спректры, состоящие из отдельных линий, называются линейчатыми. Опыт показывает, что линейчатые спектры дают разреженные газы, находящиеся в атомарном (но не молекулярном) состоянии. Линейчатый спектр каждого химического элемента строго индивидуален и не совпадает со спектром любого другого элемента. В некотором смысле он напоминает отпечатки пальцев человека: как по отпечаткам пальцев можно найти преступника, так по наличию в спектре определенных линий можно узнать о присутствии в исследуемом веществе определенного элемента.

На этом основан спектральный анализ – метод определения химического состава вещества по его спектру.

В настоящее время известны спектры всех атомов, поэтому, получив спектр неизвестного вещества, можно определить, какие элементы входят в состав данного вещества. Заметим, что некоторые элементы (гелий, рубидий, цезий, таллий, индий, галлий) были открыты с помощью спектрального анализа. Именно методом спектрального анализа ученые смогли установить химический состав Солнца и звезд.

Читатель : А какие спектры дают молекулы , составленные из нескольких атомов?

Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий.

Спектры поглощения

Мы с вами выяснили, что атомы каждого вещества в возбужденном (сильно нагретом) состоянии испускают световые волны строго определенной длины. Возникает вопрос: как эти же атомы поглощают световые волны? То есть что мы увидим, если через холодный неизлучающий газ пропустим белый свет, содержащий волны любой длины?

Эксперимент показывает, что газ наиболее интенсивно поглощает как раз те световые волны, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра – это линии поглощения , образующие спектр поглощения (см. рис. 24.3, 4–6).

Сплошной и линейчатый спектр – это понятия, пришедшие из физики. В каждом случае предполагается анализ цветового наполнения определенной траектории и особенности взаимодействия молекул.

Сплошной и линейчатый спектр: важные отличия

Сплошной спектр представляет собой все цвета радуги, которые способны равномерно переходить друг в друга. В результате они создают белый цвет, напоминающий солнечный.
Линейчатый спектр излучает свет со специальными участками, которые соответствуют только определенным цветам. Предполагается отсутствие равномерности и риск искажения цветовой передачи.

Однако что же представляют собой сплошной и линейчатый спектр? Какой механизм образования в каждом случае задействован?

Линейчатый спектр: что это?

Линейчатый спектр состоит из отдельных монохроматических излучений , которые не способны примыкать друг к другу. Предполагается наличие внутриатомных процессов, в результате которых и образуются волны, отличающиеся своим уровнем интенсивности.

Возможные отличия линейчатых спектров друг от друга:

Число включенных линий.
Месторасположение.
Степень интенсивности цветовой передачи.

Любой линейчатый спектр включает в себя отдельные светлые линии, разбросанные по разным сегментам одного спектра. Цвет любимой видимой линии обязательно соответствует определенному цвету этого же места в анализируемом сплошном спектре.

Линейчатый спектр может содержать в себе большое количество линий, располагаемых в следующих частях:

Инфракрасная.
Видимая.
Ультрафиолетовая.

В то же время линии располагаются закономерно, поэтому хаоса не отмечается. Цветовые линии создают характерные группы, которые принято называть сериями.

Линейчатый спектр образуется излучением , которое испускают атомы. На этом этапе также нужно выделить отличие от полосатого спектра, который образуется излучением от молекул. Каждый вид атомов обладает уникальным спектром, основанным на специальных длинах волн. Эта особенность приводит к спектральному анализу веществ.

Линейчатый спектр любого элемента включает в себя спектральные линии, которые соответствуют лучам, исходящим от раскаленных паров и газов. Наличие подобных линий является характерным для любого обнаруживаемого элемента, поэтому можно проводить специальные анализы, исследования.

Линейчатые спектр – это строго индивидуальные свойства определенной молекулы, причем это оказывается справедливым для молекул разного состава и изомеров.

Линейчатый спектр может проявляться только при определенных обстоятельствах: энергия бомбардирующих электронов должна быть достаточной для удаления электронов с самых глубоких слоев. При подобных переходах может испускаться фотон рентгеновского излучения. Важно отметить, что совокупность подобных цветовых линий позволяет создавать серию рентгеновского спектра, который впоследствии используется в рентгеноструктурном анализе.

Линейчатый спектр включает в себя резко очерченные цветные линии, которые обязательно отделяются друг от друга широкими темными промежутками. В каждой группе предполагается максимальное сближение линий, благодаря чему предполагается возможность увидеть отдельную полосу интервала длин световых волн. Несмотря на это, линейчатые спектры могут излучаться только отдельными атомами, которые не вступают в какую-либо связь друг с другом, так как спектры химических элементов не способны совпадать. Данный нюанс предполагает, что все атомы определенного химического элемента обладают электронными оболочками одинакового строения, но электронные оболочки химических элементов будут обладать отличиями.

Если же линейный спектр образуется на основе некоторого химического элемента одноатомного газа, гарантируется более сложная структура. Один и тот же элемент может обладать разными цветовыми спектрами, так как они определяются способом возбуждения свечения. В любом случае для образования линейчатого спектра требуются специальные линии, которые соответствуют лучам, испускаемым парами, газами.

Линейчатые спектры представляют собой узкие разноцветные линии, разделенные темными промежутками. В то же время упорядоченность чередования обязательна.

Сплошной спектр: что это?

Сплошной (непрерывный) спектр – это цветовая палитра, которая представлена в виде одной сплошной полосы. Предполагается пропускание солнечного света через используемую призму. В сплошной полосе представлены все цвета, плавно переходящие один в другой.

Сплошной спектр является характерным для твердых, а также жидких излучающих тел, которые обладают температурой около нескольких тысяч градусов Цельсия. Кроме того, сплошной спектр может предоставляться светящимися газами или парами, если их давление является очень высоким.

По-другому видят спектры, если источником света являются светящиеся газы, отличающиеся незначительной плотностью. Подобные газы включают в себя изолированные атомы с минимальным взаимодействием. Свечения можно достигнуть, если нагреть газ до температуры около двухсот градусов Цельсия.

Цвет, спектр, взаимодействие атомов и молекул всегда взаимосвязаны, что подтверждает структурную последовательность физического мира.

Иараджули Георгий

Спектры излучения и поглощения.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Спектры. Виды спектров. Спектральный анализ. Презентация по физике ученика 11 класса ГБОУ СОШ № 1465 имени адмирала Н.Г. Кузнецова Иараджули Георгия Учитель физики Круглова Лариса Юрьевна

Понятие спектра и основные сведения Спектр – распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы).Графическое представление такого распределения называется спектральной диаграммой. Обычно под спектром подразумевается электромагнитный спектр - спектр частот электромагнитного излучения.

История исследования В научный обиход термин «спектр» ввёл Ньютон в 1671-1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, которая получается при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму.

Исторически раньше всех прочих спектров было начато исследование оптических спектров. Первым был Исаак Ньютон, который и ввёл в научный обиход термин "спектр" для обозначения полученной им в опытах над солнечным светом многоцветной полосы, похожей на радугу. В своём труде «Оптика» , вышедшем в 1704 году, опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью треугольной стеклянной призмы белого света на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения, и объяснил их природу, показав, что цвет есть собственное свойство света.

Фактически, Ньютон заложил основы оптической спектроскопии: в «Оптике» он описал все три используемых поныне метода разложения света: преломление, интерференцию и дифракцию, а его призма с коллиматором, щелью и линзой была первым спектроскопом. Фрагмент рукописи «Оптики» Ньютона с описанием одного из экспериментов с призмой.

Виды спектров Спектры излучения Спектры поглощения Спектры рассеивания

Спектры излучения Непрерывные Линейчатые Полосатые

Непрерывный спектр Дают тела, находящиеся в твердом, жидком состоянии, а также плотные газы. Чтобы получить, надо нагреть тело до высокой температуры. Характер спектра зависит не только от свойств отдельных излучающих атомов, но и от взаимодействия атомов друг с другом. В спектре представлены волны всех длин и нет разрывов. Непрерывный спектр цветов можно наблюдать на дифракционной решетке. Хорошей демонстрацией спектра является природное явление радуги. Одинаковы для разных веществ, поэтому их нельзя использовать для определения состава вещества

Линейчатый спектр Состоит из отдельных линий разного или одного цвета, имеющих разные расположения Позволяет по спектральным линиям судить о химическом составе источника света Дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии (атомы практически не взаимодействуют друг с другом) Изолированные атомы данного химического элемента излучают волны строго определенной длины Для наблюдения используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются

Примеры линейчатых спектров

Полосатый спектр Дают вещества, находящиеся в молекулярном состоянии Спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. Каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий Для наблюдения используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда

Примеры полосатых спектров Спектр угольной дуги (полосы молекул CN и C 2) Спектр испускания паров молекулы йода.

Спектр поглощения Это совокупность частот, поглощаемых данным веществом. Вещество поглощает те линии спектра, которые и испускает, являясь источником света Спектры поглощения получают, пропуская свет от источника, дающего сплошной спектр, через вещество, атомы которого находятся в невозбужденном состоянии Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появятся темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра – это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Примеры спектров поглощения Фраунгофер Йозеф (1787–1826)-немецкий физик. Усовершенствовал изготовление линз, дифракционных решеток. Подробно описал (1814) линии поглощения в спектре Солнца, названные его именем. Изобрел гелиометр-рефрактор. Фраунгофера справедливо считают отцом астрофизики за его работы в астроскопии. Линии Фраунгофера

Линии поглощения в спектре звёзд

Спектральный анализ Спектральный анализ – метод определения химического состава вещества по его спектру. В 1854 году Г.Р.Кирхгоф и Р.В.Бунзен начали изучать спектры пламени, окрашенного парами металлических солей, и в результате ими были заложены основы спектрального анализа, первого из инструментальных спектральных методов - одних из самых мощных методов экспериментальной науки.

Спектральный анализ окончательно был разработан в 1859 году. Фактически, спектральный анализ открыл новую эпоху в развитии науки - исследование спектров как наблюдаемых наборов значений функции состояния объекта или системы оказалось чрезвычайно плодотворным и, в конечном итоге, привело к появлению квантовой механики: Планк пришёл к идее кванта в процессе работы над теорией спектра абсолютно чёрного тела.

С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества если даже его масса не превышает 10 -10 кг. В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов. Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам. Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел.

Спектральные аппараты Для точного исследования спектров используют спектральные аппараты. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка. Для получения спектра излучения видимого диапазона используется прибор, называемый спектроскопом, в котором детектором излучения служит человеческий глаз. Спектроскоп Спектрограф

Спектроскоп Кирхгофа-Бунзена

Статья рассказывает об определении и видах спектра, освещает области применения спектроскопии, а также описывает исследование незнакомого твердого вещества и применяемые для этого виды спектров.

Что такое спектр?

Вообще, в таком виде этот вопрос побуждает читателя вспоминать об уроках физики и бесконечных формулах. Однако это понятие охватывает гораздо большее разнообразие и выходит за рамки школьной программы. Итак, спектр - это распределение значений некоторой величины (иногда понятия). Под величиной, конечно, часто подразумевают конкретные массу, энергию, длину волны. Но бывают и совсем другие распределения. Например, женщина умеет готовить два блюда - это ее кулинарный спектр. Или мужчина может пить кофе, компот, чай, но не приемлет алкоголь, значит, его диапазон напитков ограничен. То есть бывают совершенно несвязанные с наукой виды спектров. Физика в примерах выше никакой роли не играет.

Электромагнитная шкала

Однако чаще всего люди слышат это понятие, когда речь идет о науке (в частности об электромагнитной шкале). Откуда берутся электромагнитные волны? Сам механизм их возникновения до сих пор остается загадкой. Вообще область не частиц, а полей весьма загадочна. Однако известно, что электромагнитные поля (а значит и волны) возникают при наличии движущегося в пространстве заряда. И в зависимости от того, какой он и как движется, на электромагнитной шкале проявляются различные виды излучения. Спектр в данном случае рассматривается в зависимости от длины волны. Напомним, что под этим термином понимается минимальное расстояние между одинаковыми фазами соседних возмущений (если проще - между идущими друг за другом максимумами или минимумами). Самыми большими длинами волн обладают радиоволны, самыми маленькими - гамма-излучение. То, что видит человеческий глаз, составляет лишь малую долю всего диапазона и расположено ближе к началу шкалы. Поэтому виды спектров различаются прежде всего по длине волны или частоте.

Спектроскопия

Познавательная часть этой статьи описала некоторые основные понятия. Однако самым главным в любом исследовании является его актуальность.

Другими словами - область применения. По этой части все виды спектров лидируют. Их используют везде: от криминалистики до создания новых веществ, от биологии до межзвездного пространства. Наука, которая сосредоточена на этом физическом понятии, как читатель наверняка уже понял, называется спектроскопия. На данный момент виды спектров (спектральный анализ - соответственно) различают по нескольким критериям.

Типы спектров

Как было сказано, первый критерий - длина волны. Напомним, что частота волны обратно пропорциональная длине - эти понятия непрерывно связаны. В соответствии с областями на электромагнитной шкале, существуют радио, ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные, рентгеновские виды спектров. Второй критерий - геометрия эксперимента. Снятие на отражение и на пропускание спектра могут быть принципиально разными.

Анализ различий может много сообщить об изучаемой субстанции. Например, выводы о составе и плотности колец Сатурна были сделаны именно так.

Линии и полосы

Шутка про сферического коня в вакууме только наполовину шутка. Пятьдесят процентов, если не большинство физических понятий в природе не существует в чистом виде. Поэтому следующий критерий, который разделяет виды спектров, условен. Один идеальный атом (или молекула) вещества в абсолютном вакууме даст распределение электромагнитных сигналов, состоящее из тонких линий. Данные условия невыполнимы, но тем не менее очень узкие полосы с неразличимыми внутри отдельными компонентами принято считать линейчатым спектром. Как правило, он представляет собой набор столбиков разной высоты (она обозначает интенсивность) на соответствующих длинах волн. Однако существуют и другие виды спектров, которые называются полосчатыми: каждая линия имеет широкие, размытые края.

Голубое небо

Вопрос, почему небо голубое, задает каждый непоседа четырех лет. Ответ и прост, и сложен одновременно: оно имеет такой цвет, потому что микроколебания (называемые флуктуациями) земной атмосферы из всего солнечного спектра рассеивают только соответствующую ему область длин волн. Все остальное поглощается (в большей степени) или отражается.

Это еще одни критерий. То есть существуют спектры поглощения, испускания и рассеяния. Исследования каждого дает свои результаты. Но основную информацию о веществе несут разные виды спектров испускания. Они дают однозначный ответ, что и в каком количестве присутствует в исследуемой субстанции. Два других вида покажут сложность структуры и способы взаимодействия отдельных ее частей между собой.

Лунный камень

За что и какой спектр отвечает, покажем на примере булыжника, доставленного с Луны. Если разнообразными манипуляциями заставить камень светиться, получившийся спектр однозначно покажет, какие именно химические элементы системы Менделеева в нем есть. Другие процедуры способны извлечь из этих же спектров концентрации обнаруженных элементов. Однако твердое тело и его свойства определяются не только тем, из чего оно состоит, но и как эти отдельные элементарные части относительно друг друга расположены. Классический пример - графит и алмаз. В обоих случаях - это родной углерод. Но по-разному связанны атомы - и мы получаем очень мягкий и наиболее твердый природные материалы. Почему родной? Потому что он еще и основа жизни. К слову сказать, помимо упомянутых форм, существуют еще и фуллерены, и нанотрубки, и недавно открытый графен, за который ученые получили Нобелевскую премию. Правда, в последнем случае стоит оговориться, что вещество двумерно, это значительно меняет все представление о тонких слоях веществ. Итак, о строении твердого вещества, о входящих в его состав минералах расскажет спектроскопия рассеяния. Например, Рамановские линии (при верной интерпретации) до нескольких элементарных ячеек определяют структуру кристалла. А вот анализ края поглощения, вернее, его деталей: угла наклона, наличия аномалий в виде отклонения от линейной формы, помогает найти степень стройности этой структуры, то есть показать, какие кристаллы в камне с Луны - четкие или вещество почти аморфно?

По этим данным специалисты вычисляют происхождение вещества камня, а также метаморфозы пород, входящих в его состав.

Цифровой мир

Современность немыслима без цифровых технологий. И, главное, отнюдь не быстродействие процессоров или количество гигабайт оперативной памяти, а шифрование сигнала. Конечно, это важно прежде всего для тех областей, где необходима конфиденциальность - в банковском деле, личном общении через интернет. Но даже простая запись фильма на диск - это шифровка. Ведь лазер прожигает не картинки, а нули и единицы. Люди, которые работают в сфере создания и обработки фотографий, знают, сколько «весит» изображение в изначальном формате Raw. Для непосвященных раскроем секрет: очень много. Потому что каждому пикселю задается свой оттенок и освещенность. Но привычные нам jpeg, tiff или даже bmp занимают на носителях информации гораздо меньше места, при этом видимое качество ничуть не хуже.

Так в чем же секрет? Ответ - виды спектров сигнала и варианты его сжатия. Фурье доказал, что любой сигнал может быть с достаточно высокой точностью разложен на ряд функций. Таким образом, каждый пиксель привычных форматов фотографии отображает не непосредственно зафиксированную краску, а спектр сигнала. Некоторые видеоформаты используют не Фурье, а вейвлет-преобразование для раскодировки небольших порций единиц и нулей в конкретную картинку. Таким образом, потеряв совсем небольшую (меньше одного процента) часть изображения можно значительно, иногда в сто раз, сократить количество занимаемого на диске или флеш-карте места.

Спектры, полученные от самосветящихся тел, называются спектрами испускания. Непосредственные наблюдения и фотографии спектров показывают, что спектры испускания бывают трех типов: сплошные, линейчатые и полосатые.

Сплошные спектры (см. цветной форзац, г) получаются от светящихся твердых и жидких тел в результате их нагревания.

Линейчатые спектры (см. цветной форзац, д) состоят из узких линий различных цветов, разделенных темными промежутками. Такие спектры часто получаются от светящихся газов или паров.

Свечение газа можно вызвать, пропуская через него электрический ток. Помещая стеклянную трубку с исследуемым газом перед щелью спектроскопа и пропуская через газ электрический ток, исследуют спектр испускания газа.

Линейчатые спектры паров и газов можно получить и при их нагревании, например, в пламени горелки. Таким же путем можно получить линейчатые спектры веществ, которые в обычных условиях находятся в твердом или жидком состоянии. Для этого крупинки твердых веществ или смоченный жидкостью асбест вводят в пламя газовой горелки. Испаряющиеся в пламени горелки вещества дают линейчатый спектр. Иногда такие вещества помешают в

электрическую дугу и, закрывая раскаленные угольные электроды диафрагмой, наблюдают в спектроскопе яркие линии на фоне более слабого сплошного спектра самой дуги. Заметим, что светящиеся спектральные линии часто называют эмиссионными линиями.

Изучение линейчатых спектров различных веществ показало, что каждый химический элемент дает свой линейчатый спектр, не совпадающий со спектрами других элементов. Линейчатые спектры химических элементов отличаются цветом, положением и числом отдельных светящихся линий. Характерные для каждого химического элемента линии получаются не только в видимой, но также в инфракрасной и в ультрафиолетовой частях спектра. Исследование линейчатых спектров впервые было выполнено в 1854-1859 гг. немецкими учеными Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном.

Линейчатые спектры создаются излучением отдельных атомов химических элементов, не связанных в молекулы. Это излучение связано с процессами, происходящими внутри атомов. Исследование линейчатых спектров позволило установить строение электронных оболочек атомов различных химических элементов.

Полосатые спектры состоят из ряда светлых полос, разделенных темными промежутками (см. рис. 34.12, где изображен спектр паров иода, и цветной форзац, ж). Полосатые спектры создаются излучением молекул. При рассмотрении в спектроскоп с большой разрешающей способностью полосы разделяются на ряд линий.