1. Спектры излучения и поглощения

Определения и обозначения

Спектр излучения — совокупность цветов или длин волн, входящих в излучение источника. Его наблюдают на экране после прохождения света через призму или дифракционную решётку, а регистрируют спектральными приборами. Спектр показывает, какие компоненты света испускает источник.

Спектр поглощения — спектр с тёмными линиями или полосами, возникающими при поглощении определённых длин волн веществом. Он появляется, когда свет проходит через поглощающий слой газа, жидкости или другого вещества. По таким провалам можно установить, какие атомы встретились свету на пути.

Спектральная линия — узкий участок спектра, соответствующий излучению или поглощению света определённой частоты и длины волны. Для неё справедливы связи c = λν и E = hν. Набор линий помогает отличать один элемент от другого.

Спектральный анализ — определение химического состава вещества по характерным спектральным линиям. Полученный спектр сравнивают со справочными спектрами известных элементов. Так можно обнаружить вещество даже в очень малом количестве или на большом расстоянии.

Как это устроено

Призма разделяет свет потому, что показатель преломления вещества зависит от длины волны: разные цвета отклоняются на разные углы. Дифракционная решётка действует иначе: световые волны интерферируют, и для каждой длины волны максимум наблюдается под своим углом. Поэтому на экране или в приборе составляющие излучения располагаются последовательно по длинам волн.

Нагретые твёрдые тела, жидкости и плотные газы состоят из большого числа взаимодействующих частиц. Их энергетические состояния настолько тесно связаны и многочисленны, что излучение содержит практически непрерывный набор частот. Поэтому такой источник даёт сплошной спектр, в котором нет заметных промежутков.

В разреженном атомарном газе атомы почти не взаимодействуют друг с другом. Электроны могут занимать только определённые энергетические уровни, а при переходе между ними испускают фотон с энергией, равной разности уровней. Поскольку возможны лишь определённые разности энергий, возникают отдельные яркие линии, то есть линейчатый спектр.

Если свет от плотного горячего источника проходит через более холодный разреженный газ, атомы газа поглощают фотоны тех энергий, которые соответствуют переходам между их уровнями. В результате на фоне сплошного спектра появляются тёмные линии. Те же переходы, которые вызывают поглощение, при обратном процессе создают яркие линии излучения, поэтому длины волн линий совпадают.

У каждого химического элемента свой набор энергетических уровней, а значит, и свой набор спектральных линий. Сравнив наблюдаемый спектр с эталонными, можно распознать присутствующие элементы и оценить их количество по интенсивности линий. Так исследуют состав звёзд, галактик и других удалённых источников, не доставляя их вещество в лабораторию.

Виды спектров и условия их возникновения

Сначала определите внешний вид спектра, затем сопоставьте его с условием образования. Яркие линии указывают на излучающий разреженный газ, а тёмные линии требуют наличия фонового сплошного излучения и поглощающего слоя.

Если линии собраны в широкие группы, источник, скорее всего, содержит молекулы. По таблице можно не только назвать вид спектра, но и понять, какой способ анализа состава нужно применить.

Разбор задач

Задача 1. На экране наблюдаются отдельные яркие цветные линии. Нужно определить вид спектра и тип источника. Внешний вид является главным признаком, поэтому сначала отличим линии от непрерывной цветной полосы.

1. Отдельные яркие участки означают, что излучение содержит не все длины волн подряд, а только определённые значения.
2. Такой набор называют линейчатым спектром излучения.
3. Его обычно даёт разреженный атомарный газ, атомы которого испускают фотоны при переходах электронов между уровнями.

Ответ: наблюдается линейчатый спектр излучения; источник — разреженный возбуждённый атомарный газ.

Задача 2. Для спектральной линии с длиной волны λ = 600 нм найти частоту и энергию фотона. Используем скорость света c = 3 · 10⁸ м/с и постоянную Планка h = 6,63 · 10⁻³⁴ Дж·с.

1. Переведём длину волны в метры: 600 нм = 600 · 10⁻⁹ м = 6 · 10⁻⁷ м.
2. Из формулы c = λν выразим частоту: ν = c/λ = 3 · 10⁸/(6 · 10⁻⁷) = 5 · 10¹⁴ Гц.
3. Найдём энергию фотона: E = hν = 6,63 · 10⁻³⁴ · 5 · 10¹⁴ = 3,315 · 10⁻¹⁹ Дж.

Ответ: ν = 5 · 10¹⁴ Гц, E ≈ 3,3 · 10⁻¹⁹ Дж.

Задача 3. В спектре звезды обнаружены тёмные линии, совпадающие с известными линиями натрия и водорода. Нужно определить элементы и причину появления линий. Сравнение проводят не по одному цвету, а по точным длинам волн и совокупности линий.

1. Совпадение линий натрия означает наличие атомов натрия в атмосфере звезды.
2. Совпадение другой группы линий показывает присутствие водорода.
3. Линии стали тёмными потому, что свет горячих плотных слоёв звезды прошёл через более холодный разреженный газ её атмосферы, поглотивший определённые длины волн.

Ответ: в атмосфере есть натрий и водород; наблюдается их спектр поглощения.

Типичные ошибки

Видеть в любом спектре только цвета. Невидимые ультрафиолетовые и инфракрасные волны тоже входят в спектр, хотя глаз их не воспринимает. Проверяйте, о каком диапазоне и каком приборе идёт речь.

Считать спектр разреженного газа сплошным. Такую ошибку вызывают привычные изображения радуги. У атомарного газа сначала ищите отдельные линии, а не непрерывную полосу.

Объяснять тёмные линии отсутствием излучения источника. Они возникают из-за поглощения определённых длин волн промежуточным газом. Проверьте, есть ли за поглощающим слоем источник сплошного спектра.

Определять элемент по одному цвету линии. Разные линии могут казаться похожими, а цвет зависит от условий наблюдения. Сопоставляйте точные длины волн и весь набор характерных линий.

Связь с другими темами

Для понимания спектров нужны длина волны, частота, скорость света и энергия фотона: c = λν, E = hν. Тема напрямую связана с квантовыми переходами и дискретными энергетическими уровнями атома. Спектральный анализ применяют в астрофизике, химии, медицине, экологическом контроле и исследовании состава веществ.

Что запомнить

• Спектр показывает распределение излучения по длинам волн или частотам.
• Нагретые плотные тела дают сплошной спектр.
• Разреженные атомарные газы дают линейчатый спектр излучения.
• Каждая спектральная линия соответствует определённой частоте и длине волны.
• Холодный разреженный газ перед источником сплошного спектра создаёт спектр поглощения.
• Линии поглощения и излучения одного элемента имеют одинаковые длины волн.
• По спектру можно определить химический состав вещества.