§ 44. Спектральные приборы. Виды спектров

Определения и обозначения

Спектр — распределение излучения по длинам волн или частотам, наблюдаемое при разложении света. Он показывает, какие составляющие есть в излучении и насколько они интенсивны. Спектром может быть не только привычная радуга: излучение бывает невидимым для глаза.

Спектральный прибор — устройство для получения, наблюдения, измерения и исследования спектров. Оно помогает разделить смешанное излучение на составляющие и узнать их характеристики. Такие приборы применяют, когда нужно определить состав вещества или изучить источник света.

Спектроскоп — прибор, позволяющий визуально наблюдать спектр источника. Наблюдатель смотрит в него и видит, например, цветные полосы или отдельные линии. Такой прибор подходит для качественного изучения спектра, но сам по себе не обязательно даёт точные численные измерения.

Спектрограф — прибор, который фотографирует или регистрирует спектр для последующего анализа. Запись сохраняет расположение и яркость линий, поэтому их можно изучить позднее. Это удобно, когда спектр нужно сравнить с образцами или наблюдать удалённый источник.

Как это устроено

Входная щель формирует узкий пучок, а собирающая линза направляет его на диспергирующий элемент. Щель нужна потому, что широкий источник создавал бы размытые изображения его разных участков, и линии спектра накладывались бы друг на друга. Линза делает пучок направленным, чтобы свет разных длин волн после разделения можно было чётко наблюдать. Диспергирующим элементом служит призма или дифракционная решётка.

Призма преломляет свет, причём показатель преломления зависит от длины волны: поэтому лучи разных цветов отклоняются на разные углы. Дифракционная решётка состоит из большого числа близких штрихов; волны от них интерферируют, и максимумы возникают под углами, зависящими от длины волны. Для максимумов выполняется d sin φ = kλ, где d — период решётки, φ — угол, k — порядок максимума, λ — длина волны. Так каждой длине волны соответствует своё направление и положение в спектре.

Спектроскоп даёт возможность непосредственно увидеть спектр, а спектрограф записывает его на фотоматериал или электронный детектор. Спектрометр используют для измерения характеристик спектра, например длин волн линий или интенсивности излучения. На практике границы между приборами могут быть условными: современное устройство способно сочетать наблюдение, регистрацию и измерения. Главное различие — в том, какой способ исследования спектра является основным.

Нагретые твёрдые тела, жидкости и плотные газы излучают непрерывный спектр: их частицы часто взаимодействуют, и излучение охватывает широкий диапазон длин волн без отдельных промежутков. В разреженном газе атомы взаимодействуют реже, поэтому излучение связано с переходами электронов между определёнными энергетическими уровнями. Энергия фотона равна разности уровней, а значит, атом испускает только волны определённых частот. Они наблюдаются как отдельные спектральные линии.

Если сплошной свет проходит через более холодный разреженный газ, атомы газа поглощают фотоны тех частот, которые соответствуют их энергетическим переходам. Поэтому на фоне непрерывного спектра возникают тёмные линии — спектр поглощения. Каждому веществу соответствует свой набор линий, связанный со строением его атомов и молекул. Сравнивая эти линии с эталонными спектрами, определяют состав источника или вещества, через которое прошёл свет.

Виды спектров и их особенности

Чтобы определить вид спектра, сначала обратите внимание на его внешний вид: сплошной фон, отдельные линии, группы полос или тёмные линии. Затем соотнесите его с источником и условиями возникновения. Эта таблица помогает связать наблюдаемую картину с типом вещества, но для определения конкретного элемента положение линий сравнивают с эталоном.

Разбор задач

1. Виды спектров разных источников

Определите спектр раскалённой нити лампы накаливания, разреженного атомарного водорода и молекулярного газа. Сначала учитывайте плотность и агрегатное состояние вещества, а затем — частицы, которые излучают свет. Эти признаки позволяют выбрать тип спектра без расчётов.

1. Нить лампы — твёрдое нагретое тело, поэтому её спектр непрерывный.
2. В разреженном атомарном водороде излучают отдельные атомы с определёнными переходами между уровнями энергии. Его спектр линейчатый.
3. Молекулярный газ обычно даёт полосатый спектр, потому что множество близких переходов молекул образуют группы линий.

Ответ: нить — непрерывный спектр, атомарный водород — линейчатый, молекулярный газ — полосатый.

2. Длина волны по дифракционной решётке

Решётка с периодом d = 2,0 мкм даёт максимум первого порядка под углом φ = 30°. Найдите длину волны. Выбираем формулу для максимумов решётки: d sin φ = kλ. Период нужно перевести в метры, чтобы результат сразу получить в СИ.

1. Запишем данные: d = 2,0 · 10⁻⁶ м, k = 1, φ = 30°.
2. Выразим длину волны: λ = d sin φ / k.
3. Подставим значения: λ = 2,0 · 10⁻⁶ · 0,5 / 1 = 1,0 · 10⁻⁶ м.
4. Переведём результат в нанометры: 1,0 · 10⁻⁶ м = 1000 нм.

Ответ: длина волны равна 1,0 · 10⁻⁶ м, или 1000 нм.

3. Поиск водорода и другой примеси

В спектре неизвестного источника обнаружены линии с длинами волн 486 и 656 нм. Они совпадают с линиями эталонного спектра водорода. Нужно выяснить, присутствует ли водород, и определить, как обнаружить примесь другого газа.

1. Сравним положения наблюдаемых линий с эталоном: совпадение показывает, что в источнике есть водород.
2. Сопоставим не одну линию, а весь доступный набор линий: набор спектральных переходов характерен для вещества.
3. Проверим остальные линии неизвестного спектра по эталонам других газов. Линии, не относящиеся к водороду, могут указывать на примесь.

Ответ: водород присутствует; возможный другой газ выявляют по дополнительным линиям, совпадающим с его эталонным спектром.

Типичные ошибки

Считать спектром только набор видимых цветов — ошибка: спектр характеризует распределение излучения по длинам волн и может включать невидимые области. Такое представление возникает из-за привычного примера с радугой. Проверка: спросите себя, описывает ли спектр излучение, не воспринимаемое глазом; если да, понятие шире видимых цветов.

Спектроскоп, спектрограф и спектрометр не следует называть одним и тем же прибором. Их путают, потому что все они работают со спектрами, но первый предназначен для наблюдения, второй — для регистрации, третий — для измерений. Проверка: уточните, что именно делают с результатом — смотрят, сохраняют или определяют численные характеристики.

Утверждение, что любой газ даёт непрерывный спектр, неверно. Оно может возникнуть, если не учитывать плотность газа и строение частиц. Разреженный атомарный газ даёт линейчатый спектр, а молекулярный обычно полосатый; проверьте, указаны ли условия излучения.

Яркие линии испускания нельзя путать с тёмными линиями поглощения. Оба спектра содержат характерные длины волн, поэтому их легко смешать, если не смотреть на фон. Проверьте, излучает ли вещество свет само или удаляет отдельные волны из проходящего сплошного излучения.

Связь с другими темами

Для понимания спектров нужны знания о длине волны, частоте, преломлении, дисперсии и дифракции: именно эти явления позволяют разделять свет. Объяснение линий опирается на строение атома и квантование энергетических уровней — переходы между ними связаны с излучением или поглощением фотонов определённой энергии. Спектральный анализ применяют в химии и контроле состава веществ, а в астрофизике по спектрам исследуют звёзды и их атмосферы.

Что запомнить

• Спектральный прибор разделяет излучение по длинам волн и позволяет исследовать его состав.
• Призма и дифракционная решётка создают спектр благодаря зависимости направления распространения света от длины волны.
• Непрерывный спектр дают нагретые твёрдые тела, жидкости и плотные газы.
• Разреженные атомарные газы дают линейчатые спектры.
• Молекулярные газы обычно дают полосатые спектры.
• Тёмные линии спектра поглощения соответствуют длинам волн, поглощённым веществом.
• По набору спектральных линий можно определить химический состав источника или поглощающей среды.