"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Спектр показывает, как излучение распределено по частотам или длинам волн. Его получают, разлагая свет, например с помощью призмы или дифракционной решётки. По виду спектра можно понять, какие частицы излучают свет и какие вещества находятся на его пути. Нагретые плотные тела дают сплошную картину, атомы разреженного газа — отдельные линии, а молекулы — полосы. Тёмные линии возникают, когда газ поглощает некоторые частоты из проходящего света.
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 получают, разлагая свет на составляющие, например с помощью призмы или дифракционной решётки. По расположению и яркости участков спектра судят о том, какие частоты присутствуют в излучении, а значит, исследуют свойства вещества.
Сплошной спектр — спектр, в котором представлены все длины волн некоторого диапазона без разрывов. Он выглядит как непрерывная последовательность цветов или участков излучения. Такой спектр обычно дают нагретые плотные тела, жидкости и сжатые газы.
Линейчатый спектр состоит из отдельных узких линий, каждая из которых соответствует определённой частоте. Его наблюдают, например, у излучающего разреженного газа. Набор линий характерен для атомов вещества и помогает отличить один элемент от другого.
Полосатый спектр состоит из групп близко расположенных линий, которые при наблюдении образуют полосы. Такой вид спектра связан с излучением молекул. Он позволяет учитывать более сложное строение молекулярных энергетических состояний, чем у отдельных атомов.
В нагретом плотном теле частицы находятся близко друг к другу и постоянно взаимодействуют. Их тепловое движение и взаимодействия приводят к излучению в широком диапазоне частот, поэтому отдельные составляющие не разделяются на изолированные линии. В результате получается сплошной спектр. При изменении температуры меняется распределение энергии по частотам и длинам волн, хотя сам спектр остаётся непрерывным.
Возбуждённый атом может иметь только определённые энергетические состояния. Когда электрон переходит из состояния с большей энергией в состояние с меньшей, атом испускает фотон; его энергия связана с частотой излучения. Поэтому атом излучает не любые частоты, а только соответствующие возможным переходам. В спектре разреженного газа эти частоты выглядят как отдельные яркие линии.
У молекулы возможны разные изменения энергетического состояния, в том числе связанные с движением её частей. Каждому разрешённому переходу соответствует частота излучения, а близкие частоты располагаются рядом. Поэтому молекулярный спектр включает множество линий, которые образуют группы-полосы. Если разрешающей способности прибора недостаточно, отдельные линии внутри полосы могут быть неразличимы.
Спектр поглощения возникает, когда свет со сплошным спектром проходит через более холодный разреженный газ. Атомы газа могут поглотить фотоны только определённых частот, подходящих для перехода на более высокие энергетические уровни. Из проходящего света эти частоты частично исчезают, поэтому на фоне сплошного спектра видны тёмные линии. Это не означает, что источник совсем не испускал свет на данных частотах.
У одного и того же вещества возможны переходы между одними и теми же энергетическими состояниями и при излучении, и при поглощении. Поэтому частоты его линий поглощения совпадают с частотами линий излучения. Такой набор линий служит своеобразным «отпечатком» вещества. Сравнивая его с наблюдаемым спектром, можно установить химический состав далёких источников, например звёзд.
| Вид спектра | Как выглядит | Источник или условия возникновения | Что позволяет установить |
|---|---|---|---|
| Сплошной спектр | Непрерывное распределение без разрывов в диапазоне | Нагретое плотное тело, жидкость или сжатый газ | Характер излучения источника и его температуру по распределению энергии |
| Линейчатый спектр излучения | Отдельные яркие узкие линии | Возбуждённый разреженный атомарный газ | Наличие определённых атомов и химический состав газа |
| Полосатый спектр | Группы близких линий, образующие полосы | Излучение молекул | Наличие молекул и их состав |
| Линейчатый спектр поглощения | Тёмные линии на фоне сплошного спектра | Сплошной свет проходит через более холодный разреженный газ | Состав поглощающего газа по совпадению линий |
Чтобы определить вид спектра, сначала посмотрите, есть ли в нём разрывы, отдельные линии или группы линий. Затем сопоставьте картину с источником: плотное нагретое тело, разреженный атомарный газ или молекулярное вещество. Если линии тёмные и находятся на непрерывном фоне, перед вами спектр поглощения.
В спектре источника видны все цвета без заметных промежутков. Требуется определить вид спектра и назвать вероятный тип источника. Здесь важно описать не сам цветовой фон, а его непрерывность. Именно она позволяет выбрать нужный тип спектра.
Ответ: наблюдается сплошной спектр; вероятный источник — нагретое плотное тело, например раскалённая нить.
Разреженный газ светится и даёт несколько ярких линий. Нужно объяснить, почему спектр не является сплошным и что можно узнать по линиям. Условие указывает и на состояние вещества, и на вид излучения. Поэтому рассуждение начинаем с атомов газа, а не с теплового свечения плотного тела.
Ответ: газ даёт линейчатый спектр, потому что его атомы излучают на отдельных частотах; по линиям определяют химический состав газа.
Свет от источника со сплошным спектром проходит через более холодный газ, и в спектре появляются тёмные линии. Требуется объяснить их происхождение и сравнить с линиями излучения этого газа. Непрерывный фон означает, что источник испускает широкий набор частот. Тёмные участки связаны с изменением света на пути к наблюдателю.
Ответ: тёмные линии вызваны избирательным поглощением газа; их частоты совпадают с частотами ярких линий излучения этого газа.
Ошибка: считать, что любой нагретый газ даёт сплошной спектр. Так могут рассуждать, потому что нагрев связывают с непрерывным тепловым излучением. Однако решающими являются плотность и состояние газа: нагретый плотный или сжатый газ даёт сплошной спектр, а возбуждённый разреженный атомарный газ — линейчатый. Проверьте себя вопросом: частицы взаимодействуют как в плотной среде или излучают почти независимо?
Ошибка: путать линейчатый и полосатый спектры. В обоих случаях можно увидеть отдельные составляющие, поэтому разница кажется несущественной. Но полосы молекулярного спектра образованы множеством близких линий, тогда как линейчатый спектр представляет собой набор отдельных линий атомов. Для проверки выясните, наблюдаются ли сгруппированные линии и какой тип частиц излучает.
Ошибка: принимать тёмные линии за отсутствие излучения источника. Тёмные места находятся на фоне сплошного спектра и могут выглядеть как «пустые» участки. На самом деле газ на пути света избирательно поглощает соответствующие частоты, а источник их излучает. Чтобы проверить объяснение, учитывайте наличие холодного газа между источником и наблюдателем.
Ошибка: считать спектры излучения и поглощения несвязанными. Яркие и тёмные линии выглядят по-разному, и из-за этого их можно отнести к разным свойствам вещества. Однако для одного вещества частоты линий поглощения совпадают с частотами линий излучения. Проверьте себя, сравнив не яркость, а положение линий по частоте или длине волны.
Для изучения спектров нужно знать, что свет можно разлагать на составляющие и описывать частотой или длиной волны. Объяснение линейчатых и полосатых спектров опирается на представления о строении атомов и молекул, их возбуждении и переходах между энергетическими состояниями. Практическое применение этих знаний — спектральный анализ: в химии и астрофизике по спектрам определяют состав газов, звёзд и других веществ. Так можно исследовать источники, до которых невозможно добраться непосредственно.
Почему нагретое тело обычно даёт сплошной спектр?
В плотном веществе частицы взаимодействуют друг с другом, поэтому излучение возникает в широком диапазоне частот. При нагревании меняется распределение излучаемой энергии по частотам, но спектр остаётся непрерывным в рассматриваемом диапазоне.
Почему разреженный газ излучает только на отдельных частотах?
Атомы газа могут переходить между определёнными энергетическими состояниями. При переходах испускаются фотоны с определёнными энергиями, а значит, и частотами, поэтому видны отдельные линии.
Чем полосатый спектр отличается от линейчатого?
Линейчатый спектр состоит из отдельных узких линий, характерных для атомов. В полосатом спектре множество близких линий сгруппировано в полосы; такой спектр характерен для молекул.
Откуда берутся тёмные линии в спектре поглощения?
Они появляются, когда более холодный разреженный газ поглощает отдельные частоты из проходящего через него сплошного излучения. На этих частотах света до наблюдателя доходит меньше, поэтому линии выглядят тёмными.
Как по спектру определяют состав вещества?
У каждого вещества есть характерный набор спектральных линий. Его сопоставляют с известными спектрами элементов и молекул: совпадение линий указывает на присутствие соответствующих веществ.
§ 82. Виды спектров
