Вопрос 5. Виды спектров. Спектральный анализ.
Спектральный состав излучения атомов различных веществ весьма разнообразен. Тем не менее, все спектры можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.
Непрерывные (сплошные) спектры. В непрерывном спектре излучения (рис. 19.12.1) представлены волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу с плавным переходом от одного цвета к другому.
Непрерывные (или сплошные) спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.
Линейчатые спектры. Линейчатые спектры излучения (Рис. 19.13.2,3,4) представляют собой набор цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину. Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не в молекулярном) состоянии. Изолированные атомы химического элемента излучают строго определенные длины волн, характерные данному химическому элементу. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со своим набором энергетических уровней.
Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.
Полосатые спектры. Полосатые спектры излучения состоят из отдельных полос, разделенных темными промежутками (Рис 19.14: а, б).
С помощью очень хорошего спектрального прибора можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Спектры поглощения. Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии поглощения (Рис. 19.15). Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения. Спектры поглощения могут быть непрерывными, линейчатыми и полосатыми.
Атом, поглощая свет, переходит из основного состояния в возбужденное, причем для возбуждения атомов пригодны строго определенные кванты энергии , соответствующие данному газу. Поэтому газ поглощает из непрерывного спектра те самые кванты света, которые может излучать сам.
Источник
Виды спектров
Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на несколько типов:
Непрерывные спектры. Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу.
Распределение энергии по частотам, т. е. Спектральная плотность интенсивности излучения, для различных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты имеет максимум мри определенной частоте. Энергия излучения, приходящаяся на очень малые и очень большие частоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.
Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.
Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.
Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.
Линейчатые спектры. Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли.
При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. Каждый из них — это частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными
полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая линия имеет конечную ширину.
Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.
Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн. Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.
При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.
Полосатые спектры. 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. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.
Спектры поглощения. Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету, и поглощает все остальные.
Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.
Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и столько же видов спектров поглощения.
Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили
возможность «заглянуть» внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.
Источник
2. Типы оптических спектров
Спектрограф — прибор для регистрации излучения с помощью фотоматериалов или электронно-оптических преобразователей.
Внешний вид и устройство одного из таких приборов — двухтрубного спектроскопа — показано на рисунке \(1\).
На рисунке \(2\) показано схематичное изображение хода луча в спектроскопе с целью получения визуальной картинки спектра, где отражены свойства линзы фокусировать лучи и призмы — их преломлять в зависимости от показателя преломления.
- непрерывные ( применительно к описанию визуальной картины спектра обозначает наличие всех длин волн видимого спектра, что определяет другое название такого вида спектра — сплошной );
- линейчатые ( обозначает наличие в спектре визуального изображения света с конкретной длиной волны (частотой) );
- полосатые (обозначает наличие на визуальной картине спектра совокупности большого числа близко расположенных полос).
Спектр сильно сжатых газов, которые нагреты до высокой температуры, является непрерывным (рис. \(3\)). Данный факт обусловлен незначительным различием при данных физических условиях между молекулярными силами взаимодействия в жидких, твердых и газообразных веществах.
Спектр излучения нагретых до высокой температуры газообразных веществ выглядит на фотографии в виде линии, что и обуславливает его название — линейчатый . Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах.
На рисунке мы видим спектр атомов натрия и не видим спектр атомов хлора, хотя нагревали поваренную соль. Для свечения атомов хлора необходимо больше энергии, чем для свечения атомов натрия. Поэтому спектр излучения атомов натрия яркий, а спектр атомов хлора не наблюдается .
Для получения спектра поглощения исследуемое вещество, атомы и молекулы которого находятся в невозбужденном состоянии, облучается белым светом, который даёт сплошной спектр.
Линейчатые спектры характерны для газов и паров жидкости. Они создаются излучением отдельных атомов химических элементов, не связанных в молекулы.
На рисунке изображён спектр поглощения паров натрия при пропускании белого света. Электрон, переходя в возбуждённое состояние, забирает определённую порцию энергии, что отображено чёрной полоской. Так как полоска находится в жёлтом диапазоне спектра, то и поглощённая волна имеет такую же частоту.
Две тёмные спектральные линии поглощения расположены в том же самом месте, где находятся две цветные линии спектра излучения газообразного натрия. Эта особенность расположения линий в спектре излучения и спектре поглощения характерна для всех веществ.
В середине \(XIX\) в. к такому же выводу пришёл Г. Кирхгоф, сформулировав закон для всех химических элементов: атомы элементов поглощают те же длины волн, которые они излучают.
Рис. 1. Устройство спектроскопа.Poul la Cour & Jacob Appel, Public domain, via Wikimedia Commons. 2021-08-30.
Источник