Урок 19. Излучение и спектры
Электролюминесценция — это свечение, сопровождающее разряд в газе.
Катодолюминесценция — это свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами.
Хемилюминесценция — это свечение, которое возникает при выделении энергии в некоторых химических реакциях. Фотолюминесценция — это свечение тела непосредственно под воздействием падающего на него излучения.
Спектральная плотность потока излучения I(ν) — интенсивность излучения, приходящаяся на единицу частотного интервала.
Спектры излучения представляют собой набор частот или длин волн, которые содержатся в излучении вещества.
Непрерывный (или сплошной) спектр — это спектр, в котором представлены волны всех длин волн в данном диапазоне.
Линейчатый спектр — это спектр, представляющий собой цветные линии различной яркости, разделённые широкими тёмными полосами.
Полосатый спектр представляет собой спектр, состоящий из отдельных полос, разделенных темными интервалами.
Темными линиями на фоне непрерывного спектра являются линии поглощения, которые вместе образуют спектр поглощения.
Спектральный анализ — это метод определения химического состава вещества по его спектру.
Шкала электромагнитных волн: низкочастотное излучение; радиоизлучение; инфракрасные лучи; видимый свет; ультрафиолетовые лучи; рентгеновские лучи; γ-излучение.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В. М. Физика. Учебник для образовательных организаций М.: Просвещение, 2014. С. 246 – 258.
Рымкевич А.П. Сборник проблем физики. 10-11 класс. – М.: Дрофа, 2014. С.143.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Электромагнитные волны излучаются ускоренно движущимися заряженными частицами. Излучение возникает также, когда атом переходит из возбужденного состояния в основное и во время распада ядра.
Источники излучений делятся на два класса: горячие и холодные.
Тепловое излучение — это излучение нагретых тел. Тепловыми источниками являются Солнце, лампа накаливания, пламя и т. д.
Энергия атомам для излучения может также поступать и из нетепловых источников; например, переменный ток вызывает появление электромагнитного поля; излучение происходит и при переходе атома из возбуждённого состояния в основное, а также при распаде ядра.
Электролюминесценция — это свечение, сопровождающее разряд в газе (полярные сияния, трубки для рекламных надписей). Катодолюминесценция — это свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами (электронно-лучевых трубок). Хемилюминесценция — это свечение, которое происходит при выделении энергии в некоторых химических реакциях (светлячки, некоторые живые организмы и т. д.). Фотолюминесценция — это свечение тела непосредственно под воздействием падающего на него излучения (флуоресцентная лампа, светящиеся краски и т. д.).
Частотное распределение излучения характеризуется спектральной плотностью потока излучения.
Спектральная плотность потока излучения I(ν) — интенсивность излучения на единицу частотного интервала.
Спектральные аппараты — оптические устройства, в которых электромагнитное излучение оптического диапазона разлагается на монохроматические составляющие. Спектры излучения представляют собой набор частот или длин волн, которые содержатся в излучении какого-либо вещества. Они бывают трёх видов.
1) Непрерывный (или сплошной) — это спектр, в котором представлены волны всех длин волн в заданном диапазоне. При нагревании до высокой температуры твердые и жидкие тела дают такой спектр, а также высокотемпературная плазма.
2) Линейчатый спектр — это цветные линии различной яркости, разделенные широкими темными полосами. Такие спектры дают все вещества в газообразном атомарном состоянии. Изолированные атомы излучают свет строго определенных длин волн.
3) Полосатый спектр представляет собой спектр, состоящий из отдельных полос, разделенных темными интервалами. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры образуются не атомами, а молекулами, которые не связаны или слабо связаны друг с другом. Темными линиями на фоне непрерывного спектра являются линии поглощения, которые вместе образуют спектр поглощения.
Длины волн (или частоты) линейчатого спектра вещества зависят только от свойств его атомов, но не зависят от метода возбуждения свечения атомов — это основное свойство линейчатых спектров.
Атомы любого химического элемента дают спектр, непохожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго индивидуальный набор длин волн. Метод определения химического состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. В астрономии с его помощью определяют химический состав звёзд, планет, температуру и индукцию их полей и многие другие характеристики. Он также успешно используется в геологии, археологии, криминалистике, металлургии, атомной индустрии и многих других сферах деятельности.
В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров.
Механизмы образования всех электромагнитных излучений одинаковы, отличаются друг от друга методами получения и регистрации. Огромным достижением электромагнитной теории Максвелла было создание шкалы электромагнитных волн. Различают следующие области шкалы: низкочастотное излучение; радиоизлучение; инфракрасные лучи; видимый свет; ультрафиолетовые лучи; рентгеновские лучи; гамма-излучение.
1) Низкочастотные волны — электромагнитные волны с частотой до 100 кГц. Источник: генераторы тока, вибратор Герца. Применение: кино, радиовещание (микрофоны, громкоговорители).
2) Радиоволны — электромагнитные волны с длиной волны более 1 мм и менее 3 км. Источник: колебательный контур. Применение: радиосвязь, радиолокация, телевидение.
3) Инфракрасное излучение представляет собой излучение с частотами в диапазоне от 3 ∙ 10ˡˡ до 3,75 ∙ 10ˡ⁴ Гц. Оно было обнаружено в 1800 году английским астрономом У. Гершелем при изучении красного конца спектра. Источником является любое нагретое тело. Применение: получают изображения предметов по излучаемому теплу; в приборах ночного видения (ночной бинокль); используют в криминалистике, медицине, промышленности для сушки цветных изделий, стен зданий, дерева, фруктов и т. д. Свойства: проходит через непрозрачные тела, а также через дождь, туман, снег; производит химическое действие на фотопластинки; нагревает вещество при поглощении.
4) Видимое излучение — часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового) с частотой от 4 ∙ 10ˡ⁴ до 8 ∙ 10ˡ⁴ Гц. Свойства: воздействует на глаза.
5) Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение с частотой от 8 ∙ 10ˡ⁴ до 3 ∙ 10ˡ⁶ Гц. Источники: кварцевые лампы, нагретые твердые тела с температурой более 1000 º, светящиеся пары ртути. Свойства: высокая химическая активность, высокая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в небольших дозах оказывает благотворное влияние на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздействие на глаза. Применение: в медицине, промышленности.
6) Рентгеновское излучение — это излучение с частотой от 3 ∙ 10ˡ⁶ до 3 ∙ 10²⁰ Гц. Это излучение было открыто в 1895 году немецким физиком В. Рентгеном. Источник: рентгеновская трубка. Свойства: высокая проникающая способность; облучение в больших дозах вызывает лучевую болезнь. Применение: в медицине (диагностика заболеваний внутренних органов), промышленности (дефектоскопия), научных исследованиях.
7) Гамма-лучи — излучение с очень малой длиной волны — от 10⁻⁸ до 10⁻ˡˡ см. Они были открыты французским физиком П. Вильяром в 1900 году. Источники — ядерные реакции. Свойства: огромная проникающая способность, обладает сильным биологическим эффектом. Применение: в медицине, промышленности (γ-дефектоскопия).
Все излучения имеют как квантовые, так и волновые свойства. Волновые свойства более ярко выражены на низких частотах и менее ярко – при больших, а квантовые свойства более ярко проявляются на высоких частотах и менее ярко — на малых частотах.
Уильям Гершель, английский астроном, прославившийся открытием планеты Уран, обнаружив в спектре Солнца невидимые — инфракрасные — лучи, был так поражен, что двадцать лет хранил об этом опыте молчание. А вот в том, что Марс обитаем и населен людьми, он не сомневался.
Оказывается, так называемые черные дыры, которые имеют такое сильное притяжение, что даже легкие частицы света не могут их покинуть, также способны излучать. Под влиянием огромной гравитации в окрестностях черной дыры рождаются реальные частицы (и фотоны) из вакуума. Английский физик Стивен Хокинг установил, что спектр этого излучения такой же, как и у абсолютно черного тела.
Примеры и разбор решения заданий:
1. Ответьте на вопрос и выберите правильный ответ: «Сколько длин волн монохроматического излучения с частотой 500 ТГц укладывается на отрезке 30 см?»
Выражаем частоту излучения в герцах, учитывая, что 1ТГц = l∙10ˡ² Гц, ν = 500ТГц = 5∙10ˡ⁴ Гц. Длину выражаем в метрах: l = 30см = 0,3м. Записываем скорость электромагнитных излучений: c = 3∙10⁸м/с.
Находим длину волны: λ= с/ν = 3∙10⁸м/с /5∙10ˡ⁴ Гц = 6∙10⁻⁷ м.
Чтобы узнать, сколько длин волн укладывается на данном отрезке, надо длину отрезка разделить на длину волны: Ν = l / λ = 0,3м / 6∙10⁻⁷ м = 5∙10⁵ длин волн.
2. Вставьте пропущенные слова в предложения:
«Чем _____ температура тела, тем быстрее движутся в нём атомы. При их столкновении друг с другом часть _____ энергии идёт на возбуждение, затем атомы излучают и переходят в _______ состояние»
Варианты ответов: ниже, потенциальной, выше, основное, кинетической, возбуждённое.
Правильный вариант: Чем выше температура тела, тем быстрее движутся в нём атомы. При их столкновении друг с другом часть кинетической энергии идёт на возбуждение, затем атомы излучают и переходят в основное состояние.
Источник
Спектр излучения
Спектр излучения — это спектр излучения, испускаемого источником (этот термин также может обозначать характеристическую кривую, которая строится на его основе). Он представляет вклад различных излучений, составляющих это излучение, в зависимости от их длины волны.
С помощью спектрографа можно записать спектр излучения для последующего изучения. Излучающий спектр характерен для вида, который является его источником, и поэтому он позволяет идентифицировать его.
Непрерывные спектры
Спектр, полученный при разложении света, излучаемого Солнцем, называется «непрерывным спектром». Он предлагает палитру всех цветов радуги, не прерываясь между ними. В более общем случае, свет, излучаемый телами под высоким давлением и при высокой температуре, имеет непрерывный спектр. Однако непрерывный спектр обычно содержит длину волны, для которой интенсивность сильнее, чем для остальных.
Определение этой конкретной длины волны позволяет установить температуру излучающего тела. Фактически, непрерывные спектры являются результатом излучения электронов, ускоренных тепловым возбуждением. Это называется «тепловым излучением». Чем короче длина волны, тем выше температура.
Линейчатые спектры, полосные спектры
Свет, излучаемый газом при низком давлении, но при высокой температуре, со своей стороны, приводит к формированию линейчатого спектра. Он состоит из тонких и интенсивных линий, соответствующих определенным длинам волн и выделяющихся на черном фоне. Благодаря цвету и положению этих линий можно охарактеризовать атомы газа, излучающие анализируемый свет, поскольку они соответствуют переходам электронов между энергетическими уровнями атома.
Аналогично, спектры полос соответствуют переходам между полосами энергетических уровней. Они, в свою очередь, показывают природу молекул, из которых состоит излучающий газ.
Применение, связанное со спектром излучения: изучение звезд
Изучение спектров излучения, а также спектров поглощения позволяет получить информацию (температура, химический состав, физические характеристики) об источниках света. Так обстоит дело, например, со звездами, которые напрямую недоступны для экспериментов.
Источник