4. Спектры излучения и поглощения

Определения и обозначения

Спектр излучения — распределение излучения по длинам волн или частотам. Чтобы его увидеть, свет пропускают через призму или дифракционную решётку, которые разделяют его на составляющие. По спектру сравнивают излучение разных источников и узнают, какие длины волн они испускают.

Спектр поглощения — набор тёмных линий или полос на фоне сплошного спектра. Они возникают, когда вещество поглощает из проходящего света излучение определённых длин волн. Такой спектр помогает обнаружить вещество, даже если оно само не светится ярко.

Сплошной спектр содержит излучения всех длин волн в некотором диапазоне без разрывов. В нём нет отдельных промежутков между цветами или участками изображения. Это понятие позволяет отличать непрерывное излучение нагретых плотных тел от отдельных спектральных линий.

Линейчатый спектр состоит из отдельных узких линий, а полосатый — из отдельных широких полос. Линии обычно связаны с излучением атомов, полосы — с излучением молекул. Вид и расположение этих элементов спектра зависят от состава вещества, поэтому служат его своеобразной характеристикой.

Как это устроено

Призма и дифракционная решётка разделяют свет, потому что по-разному направляют волны разных длин. В призме показатель преломления зависит от длины волны: лучи разных цветов преломляются под разными углами. Решётка создаёт дифракционные максимумы, и их положение также зависит от длины волны; на выходе составляющие света расходятся и становятся различимы.

Нагретые твёрдые тела, жидкости и плотные газы дают сплошной спектр из-за сильного взаимодействия множества частиц. Их излучение складывается из большого числа процессов с различными энергиями и частотами. В результате в рассматриваемом диапазоне нет только нескольких избранных длин волн, как у отдельных атомов, а присутствует непрерывный набор.

В разреженном атомарном газе атомы сталкиваются реже и могут излучать на характерных для них частотах. Электрон в атоме переходит с одного энергетического уровня на другой и испускает фотон, то есть порцию света. Энергия фотона связана с частотой соотношением E = hν, поэтому определённым переходам отвечают определённые частоты и длины волн; на спектре они видны как линии.

Если свет от горячего источника проходит через холодный разреженный газ, атомы газа поглощают фотоны некоторых частот. Поглощённая энергия переводит атомы в более высокие энергетические состояния. Поэтому в первоначальном сплошном спектре именно на этих длинах волн свет становится слабее, и наблюдаются тёмные линии.

У вещества набор энергетических уровней определён его строением, поэтому оно поглощает и излучает на одних и тех же характерных длинах волн. По этой причине положения линий спектров излучения и поглощения одного вещества совпадают, хотя линии отличаются яркостью и фоном. Сопоставив несколько характерных линий с эталонными спектрами, можно определить химические элементы в источнике, в том числе далёком.

Виды спектров и условия их возникновения

Сначала определите, что именно наблюдается: непрерывная полоса, яркие элементы или тёмные промежутки на светлом фоне. Затем сверьте источник и условия получения с таблицей, чтобы объяснить вид спектра. Примеры применения показывают, какие сведения можно извлечь из каждого типа.

Разбор задач

Раскалённая нить лампы

Условие. Определите, какой спектр даст раскалённая нить лампы накаливания, и объясните его вид. Нить изготовлена из твёрдого материала и при работе сильно нагревается. Нужно выбрать тип спектра по состоянию и плотности источника.

1. Определяем состояние вещества: нить — твёрдое тело, а не разреженный атомарный газ.
2. Учитываем, что раскалённые твёрдые тела излучают в широком диапазоне длин волн из-за взаимодействия множества частиц.
3. Сопоставляем это условие с определением: непрерывное распределение длин волн соответствует сплошному спектру.

Ответ. Нить лампы даёт сплошной спектр. Её высокая температура обеспечивает заметное излучение, а твёрдое состояние вещества определяет непрерывный характер спектра.

Яркие линии на фотографии спектра

Условие. На спектрографической фотографии обнаружены яркие линии с заданными длинами волн. Требуется определить, присутствуют ли в источнике линии данного химического элемента по таблице его спектра. Числовые значения длин волн и таблица в условии не приведены, поэтому проверим способ решения.

1. Выписываем положения линий на фотографии и находим в таблице характерные линии проверяемого элемента.
2. Сравниваем значения с учётом точности измерения прибора: совпадение означает близкое положение линий, а не обязательно полное равенство записанных чисел.
3. Проверяем, совпадает ли с эталоном несколько характерных линий, и не ограничиваемся одной случайно похожей.

Ответ. Элемент можно считать присутствующим, если на фотографии совпадает несколько его характерных линий в пределах точности измерения. Без заданных длин волн окончательное заключение сделать нельзя.

Тёмные линии в спектре звезды или газа

Условие. По спектру звезды или газа с тёмными линиями нужно определить состав, если известны длины волн линий нескольких элементов. Тёмные линии указывают на излучение, которое было поглощено по пути к наблюдателю. Требуется сопоставить их с эталонными данными.

1. Записываем длины волн тёмных линий и уточняем, какие вещества имеются среди возможных кандидатов.
2. Для каждого кандидата проверяем, совпадают ли с наблюдаемыми несколько его характерных линий поглощения или излучения.
3. Если несколько линий одного элемента совпадают, а линии других кандидатов не дают такого набора, включаем этот элемент в состав источника или поглощающего газа.

Ответ. Химический состав устанавливают по совокупности совпадающих линий. По одной линии надёжный вывод не делают, поскольку разные вещества могут иметь близкие линии.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой источник света даёт сплошной спектр. Так думают, потому что привычный белый свет часто выглядит непрерывным, но вид спектра зависит от состояния, плотности и возбуждения вещества. Проверьте сначала, что перед вами: нагретое плотное тело или разреженный газ; для газа возможны линии или полосы.

Ошибка — путать спектр поглощения с линейчатым спектром излучения. В обоих случаях заметны отдельные линии, но у излучения они яркие, а у поглощения тёмные и находятся на фоне сплошного спектра. Чтобы проверить себя, определите фон и выясните, добавил источник свет на частоте или ослабил его.

Ошибка — утверждать, что положение спектральных линий зависит только от температуры. Температура влияет на интенсивность и возбуждение переходов, а характерные положения линий прежде всего связаны со строением вещества. Проверка проста: для определения состава сравнивайте длины волн с эталоном, а яркость оценивайте отдельно.

Ошибка — определять элемент по одной совпавшей линии. Такое совпадение может оказаться случайным или неточным из-за ограничений измерения. Надёжнее проверить несколько линий одного элемента и убедиться, что их положения согласуются с наблюдаемым спектром.

Связь с другими темами

Для понимания спектров нужно знать, что свет — электромагнитная волна, а его цвет связан с длиной волны и частотой. Также пригодится умение понимать, как призма или дифракционная решётка разделяет свет, и пользоваться понятием длины волны. Спектры связывают наблюдаемое излучение со строением атома: позднее это объясняется уровнями энергии и квантовыми переходами. Спектральный анализ применяют и в астрономии, чтобы исследовать состав звёзд.

Что запомнить

• Спектр показывает распределение излучения по длинам волн или частотам.
• Сплошной спектр не имеет разрывов в рассматриваемом диапазоне.
• Разреженные атомарные газы дают линейчатые спектры.
• Молекулярные газы обычно дают полосатые спектры.
• Спектр поглощения содержит тёмные линии или полосы на фоне сплошного спектра.
• Положение спектральных линий является характеристикой вещества.
• По спектрам можно определять химический состав удалённых источников, включая звёзды.