"Физика (базовый уровень)", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Спектр показывает, как излучение распределено по частотам или длинам волн. По его виду можно судить об условиях, в которых свет возник, а по характерным линиям — о химическом составе вещества. Нагретые плотные тела дают сплошной спектр, разреженные атомарные газы — линейчатый, а молекулярные газы могут создавать полосатый. На этом основан спектральный анализ, который позволяет исследовать даже далёкие звёзды.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Спектр — распределение излучения по частотам или длинам волн. Его наблюдают с помощью спектрального прибора, который разделяет свет на составляющие; результат можно увидеть как цветную полосу с линиями или представить графиком интенсивности. Спектр помогает выяснить, из каких частот складывается свет и как он возник.
Сплошной спектр — спектр, в котором представлены все длины волн некоторого диапазона без разрывов. В нём нет отдельных изолированных линий, а переход от одного цвета к другому непрерывен. По этому признаку можно отличить излучение плотного нагретого вещества от света разреженного газа.
Линейчатый спектр состоит из отдельных узких спектральных линий и характерен для излучения атомов разреженного газа. Каждая линия соответствует свету определённой частоты, а их совокупность образует характерный рисунок. Сравнение такого рисунка со спектрами известных веществ помогает распознать атомы.
Спектральный анализ — определение химического состава вещества по характерным спектральным линиям. Для этого положения линий исследуемого спектра сопоставляют с известными спектрами элементов. Метод позволяет обнаруживать вещества, даже если их нельзя взять и изучить непосредственно, например в атмосфере звезды.
Нагретые твёрдые тела, жидкости и плотные газы обычно излучают сплошной спектр. В плотном веществе частицы часто взаимодействуют друг с другом, поэтому свет испускается на множестве частот, которые образуют непрерывный диапазон. Температура влияет на интенсивность излучения и распределение энергии по частотам: при нагревании оно меняется. Одной температуры недостаточно, чтобы предсказать вид спектра, поскольку важны также плотность и агрегатное состояние вещества.
Разреженный атомарный газ излучает линейчатый спектр, потому что энергия атома не может принимать любые значения. Она меняется скачками между определёнными энергетическими уровнями. При переходе с более высокого уровня на более низкий атом испускает фотон, энергия которого равна разности уровней; этой энергии соответствует определённая частота. Поэтому возникают отдельные линии, а не непрерывная цветная полоса.
Если сплошной свет проходит через более холодный разреженный газ, часть его частот поглощается атомами. Атом поглощает фотоны, энергия которых подходит для перехода на более высокий энергетический уровень. В результате на фоне сплошного спектра появляются тёмные линии — на этих частотах света стало меньше. Положения таких линий связаны с линиями излучения того же газа, потому что энергетические уровни атома остаются теми же.
Молекулярный газ может создавать полосатый спектр. У молекул возможны разные состояния, связанные не только с движением электронов, но и с вращением и колебаниями молекулы. Из-за этого возникает множество близких спектральных линий. Когда линии расположены тесно, прибор или глаз различает их совокупность как отдельные полосы.
У каждого химического элемента свой набор энергетических уровней, а значит, и свой рисунок спектральных линий. Поэтому обнаруженные в спектре линии можно сопоставить с лабораторными спектрами и определить, какие элементы присутствуют в веществе. Для анализа подходят как яркие линии излучения, так и тёмные линии поглощения. Так исследуют состав далёких объектов: вещество звезды не требуется доставлять на Землю.
| Вид спектра | Как выглядит | Источник или условия возникновения | Что позволяет установить |
|---|---|---|---|
| Сплошной спектр излучения | Непрерывная полоса без разрывов | Нагретые твёрдые тела, жидкости и плотные газы | Распределение излучения по диапазону частот |
| Линейчатый спектр излучения | Яркие отдельные линии на тёмном фоне | Излучение разреженного атомарного газа | Наличие атомов определённых элементов |
| Полосатый спектр излучения | Несколько отдельных полос | Излучение молекулярного газа | Наличие молекул и их спектральные особенности |
| Линейчатый спектр поглощения | Тёмные линии на фоне сплошного спектра | Сплошной свет проходит через более холодный разреженный газ | Элементы в поглощающем газе |
Сначала определите, что именно видно: непрерывную полосу, яркие линии, полосы или тёмные линии на фоне сплошного спектра. Затем свяжите вид спектра с условиями его возникновения. Для определения состава сравнивают положения линий с известными спектрами элементов.
Задача 1. В спектре раскалённой нити лампы видна непрерывная цветная полоса. Определите вид спектра и назовите источник. Нужно сопоставить наблюдаемую картину с признаками спектров и учесть состояние излучающего вещества.
Ответ: сплошной спектр излучения раскалённой нити лампы.
Задача 2. Разреженный газ в газоразрядной трубке испускает свет с несколькими яркими линиями. Объясните вид спектра и причину появления линий. Важно учесть и форму спектра, и строение атома излучающего газа.
Ответ: газ даёт линейчатый спектр, потому что атомы излучают фотоны определённых частот при переходах между энергетическими уровнями.
Задача 3. В спектре звезды обнаружены тёмные линии. Некоторые совпадают с линиями натрия и водорода в лабораторных спектрах. Объясните наблюдение и сделайте вывод о составе звёздной атмосферы.
Ответ: в атмосфере звезды есть натрий и водород. Вывод сделан методом спектрального анализа по положениям линий поглощения.
Нередко спектры излучения и поглощения считают одинаковыми по виду. Ошибку допускают, потому что и там и там речь идёт о характерных линиях одного элемента. Проверка простая: яркие линии находятся на тёмном фоне, а тёмные линии поглощения — на фоне сплошного спектра.
Ошибочно полагать, что любое нагретое вещество даёт только сплошной спектр. Это неверно, потому что вид спектра зависит не только от нагрева, но и от агрегатного состояния, плотности и состава вещества. Проверьте себя: разреженный атомарный газ даже при высокой температуре может давать линейчатый спектр.
Иногда думают, что положение спектральных линий одного элемента меняется от прибора к прибору. Прибор может влиять на чёткость и точность наблюдения, но характерный набор линий задаётся самим элементом. Чтобы проверить вывод, сравнивайте именно положения линий с калиброванными спектрами, а не ширину или яркость изображения.
Химический состав нельзя надёжно определить только по цвету или общей яркости спектра. Эти признаки сами по себе не указывают однозначно на конкретный элемент и могут зависеть от условий наблюдения. Для спектрального анализа сопоставляют положения линий; если они совпадают с эталонными линиями элемента, это служит основанием для вывода о его наличии.
Для описания спектра нужно знать, что свет является электромагнитной волной и характеризуется частотой и длиной волны. Происхождение линий объясняет модель атома: переходы между его энергетическими уровнями связаны с излучением или поглощением фотонов. Спектральный анализ используют в химии для определения состава веществ и в астрофизике для изучения звёзд. Он позволяет исследовать объекты, недоступные для непосредственного отбора проб.
Почему нагретое твёрдое тело излучает сплошной спектр?
В плотном веществе частицы взаимодействуют и излучают на множестве частот, которые образуют непрерывный диапазон. Поэтому в спектре нагретого твёрдого тела нет отдельных разрывов.
Почему атомы излучают свет не всех частот, а отдельными линиями?
Энергия атома может принимать только определённые значения. При переходе между уровнями атом излучает фотон с определённой энергией, а значит, с определённой частотой; ей соответствует отдельная спектральная линия.
Чем спектр поглощения отличается от спектра излучения?
В спектре излучения яркие линии видны на тёмном фоне, а в спектре поглощения тёмные линии находятся на фоне сплошного спектра. Первый возникает, когда атомы испускают свет, второй — когда они поглощают свет определённых частот.
Почему линии поглощения совпадают по положениям с линиями излучения того же элемента?
Атом поглощает фотоны с энергиями, соответствующими переходам между его энергетическими уровнями. При обратных переходах он может испустить фотоны с такими же энергиями, поэтому линии поглощения и излучения элемента связаны.
Как по спектру определяют химический состав звезды?
Сначала находят положения тёмных линий в спектре звезды, затем сравнивают их с линиями известных элементов, полученными в лаборатории. Совпадения показывают, какие элементы присутствуют в газе атмосферы звезды.
41. Виды спектров. Спектральный анализ
