§ 83. Спектральный анализ

Определения и обозначения

Спектр излучения — распределение излучения источника по частотам или длинам волн. Чтобы его наблюдать, свет направляют в спектральный прибор, например на призму или дифракционную решётку, которая разделяет его составляющие. На выходе видна цветная полоса или отдельные линии. Спектр показывает, из каких частот складывается свет.

Сплошной спектр — спектр, в котором представлены все длины волн некоторого диапазона без разрывов. Он выглядит как непрерывная цветная полоса, а не как отдельные отметки. Такое описание помогает отличить излучение плотного нагретого вещества от света разреженного газа.

Линейчатый спектр — спектр из отдельных узких линий, характерных для атомов определённого химического элемента. Линия соответствует определённой частоте света, а её положение зависит от этой частоты. По совокупности линий можно распознать атомы, испустившие свет.

Спектральный анализ — определение химического состава вещества по его спектру излучения или поглощения. Для этого спектр образца сопоставляют с известными спектрами элементов. Метод полезен, когда вещество нельзя исследовать обычным способом, например если речь идёт о звезде.

Как это устроено

Свет, который кажется глазу одним цветом или белым, может включать множество частот. Призма или дифракционная решётка разделяет их, потому что разные длины волн отклоняются по-разному. Так прибор показывает состав света не как единое целое, а по отдельным участкам. Частоте каждой линии соответствует своё положение в спектре.

Нагретые твёрдые тела, жидкости и плотные газы излучают широкий диапазон частот. В плотном веществе частицы взаимодействуют, и излучение многих атомов и молекул перекрывается. Поэтому энергия света распределяется по непрерывной области, а не собирается в несколько изолированных частот. Такой спектр называют сплошным.

В разреженном газе атомы взаимодействуют друг с другом значительно реже. Электроны в атомах могут переходить между определёнными уровнями энергии, испуская при этом фотоны с энергиями, равными разностям уровней. Энергия фотона связана с частотой формулой E = hν, поэтому возможны лишь определённые частоты. В спектре они видны как яркие линии, характерные для данного элемента.

Если свет от источника со сплошным спектром проходит через более холодный разреженный газ, атомы этого газа поглощают фотоны некоторых частот. Это происходит на тех частотах, на которых атомы способны излучать: поглощённая энергия переводит их в более высокие энергетические состояния. После прохождения через газ в непрерывной полосе остаются тёмные линии. Их набор указывает на состав газа между источником и наблюдателем.

Для определения состава сначала получают спектр исследуемого образца, затем сравнивают положение его линий с эталонными спектрами элементов. Совпадение нескольких линий служит признаком присутствия соответствующего элемента. Так можно исследовать вещества в лаборатории, а также свет далёких звёзд. В последнем случае спектр несёт сведения о газах в атмосфере звезды, хотя сам образец невозможно взять для анализа.

Виды спектров и условия их возникновения

Сначала определите, что именно видно: непрерывную полосу или линии, и если линии — яркие они или тёмные. Затем сопоставьте вид спектра с условиями его возникновения. Для анализа состава ищут совпадение не одной отметки, а нескольких характерных линий.

Разбор задач

Задача 1. Нагретая металлическая нить даёт непрерывную цветную полосу. Определите вид спектра и объясните его происхождение.

1. Определяем признак: в условии сказано, что полоса непрерывная и в ней нет отдельных линий. Это указывает на сплошной спектр. Значит, анализировать нужно не набор ярких линий, а широкий диапазон излучения.

2. Уточняем состояние источника: металлическая нить — твёрдое тело, нагретое до высокой температуры. В таком теле взаимодействуют многочисленные частицы. Их излучение охватывает широкий диапазон частот и образует непрерывную полосу.

Ответ: нить даёт сплошной спектр, потому что нагретое твёрдое тело излучает широкий непрерывный диапазон частот.

Задача 2. В спектре разреженного газа обнаружены отдельные яркие линии. Объясните, почему они расположены на определённых местах.

1. Яркие линии означают, что газ сам испускает свет на некоторых частотах. Поскольку газ разреженный, его атомы можно рассматривать как источники линий, не перекрывающих друг друга непрерывным спектром. Поэтому вместо цветной полосы наблюдаются отдельные отметки.

2. В атомах возможны переходы между определёнными уровнями энергии. При переходе с одного уровня на другой атом испускает фотон с энергией, равной разности уровней, а значит, и с определённой частотой. Поэтому линии занимают строго определённые места, характерные для атомов данного газа.

Ответ: линии соответствуют частотам фотонов, которые атомы газа испускают при переходах между уровнями энергии.

Задача 3. Спектр звезды содержит тёмные линии на фоне непрерывного спектра. Как по ним установить наличие определённого элемента в атмосфере звезды?

1. Тёмные линии на непрерывном фоне указывают на спектр поглощения. Свет звезды сначала создаёт сплошной спектр, а затем проходит через газ в её атмосфере. Атомы этого газа поглощают фотоны некоторых частот.

2. Находим положение нескольких тёмных линий и сравниваем их с известными спектральными линиями элементов. Если характерный набор совпадает, это служит признаком присутствия элемента в атмосфере звезды. Сопоставление нескольких линий надёжнее, чем вывод по одной отметке.

Ответ: нужно сравнить набор тёмных линий с эталонным спектром поглощения элемента; совпадение указывает на его присутствие в газе атмосферы.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что любой источник даёт сплошной спектр. Это представление возникает, если знакомы только с белым светом лампы или нагретого тела, но спектр зависит от состояния и плотности вещества. Проверьте себя: разреженный газ обычно излучает отдельные линии, а не непрерывную полосу.

Не следует путать спектры излучения и поглощения: в первом случае линии яркие, во втором — тёмные на сплошном фоне. Путаница возникает из-за того, что оба спектра содержат линии в характерных местах. Чтобы проверить ответ, спросите, испускает ли газ свет сам или перед ним находится источник сплошного излучения.

Неверно считать, что линии одного элемента могут располагаться произвольно. Иногда думают, что вид линий меняется так же, как цвет пламени при разных условиях, но характерный набор линий связан с уровнями энергии атома. Проверьте себя по эталонному спектру: для распознавания сравнивают положения линий, а не выбирают их на глаз.

Вывод о составе не стоит делать по одной случайной линии. Она может совпасть с линией другого элемента или быть определена с погрешностью, поэтому такой вывод ненадёжен. Сопоставьте несколько линий и проверьте, образуют ли они набор, характерный для одного элемента.

Связь с другими темами

Для чтения спектра нужны понятия частоты и длины волны: они описывают свет и связаны формулой c = λν, где c — скорость света. Разложение света в спектральном приборе позволяет разделить частоты и увидеть их распределение. Объяснение линейчатых спектров опирается на квантовые представления об уровнях энергии атома и переходах между ними. Спектральный анализ используют в лабораториях, а в астрофизике он помогает определять химический состав звёзд по их свету.

Что запомнить

• Спектр показывает, из каких частот состоит излучение.
• Нагретые твёрдые тела, жидкости и плотные газы дают сплошной спектр.
• Разреженный газ излучает линейчатый спектр.
• Каждый химический элемент имеет характерный набор спектральных линий.
• Разреженный газ поглощает те частоты, которые сам способен излучать.
• По спектрам излучения и поглощения можно определять химический состав вещества.