"Физика (базовый уровень)", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М.
Атомы испускают и поглощают свет не любых частот, а только тех, которые соответствуют переходам электронов между определёнными энергетическими уровнями. Поэтому разреженный атомарный газ даёт линейчатый спектр — набор ярких линий. По расположению этих линий можно определить, какие вещества входят в состав образца, звезды или газа. Связь частоты света с уровнями задаётся формулой hν = ΔE.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Линейчатый спектр — набор отдельных спектральных линий, соответствующих переходам атома между определёнными энергетическими уровнями. Каждая линия связана с конкретной частотой света. По такому набору можно судить о строении атома и составе вещества.
Спектр излучения — излучение, испускаемое веществом; у разреженного атомарного газа он обычно состоит из ярких линий на тёмном фоне. Линии появляются потому, что возбуждённые атомы отдают энергию порциями. Такой спектр используют для обнаружения элементов.
Спектр поглощения — спектр света, прошедшего через вещество, в котором на фоне непрерывного спектра видны тёмные линии поглощённых частот. Атомы забирают только фотоны с подходящей энергией. Поэтому положение тёмных линий тоже несёт информацию о веществе.
Спектральный анализ — определение состава вещества по характерным линиям его спектра. Для этого наблюдаемый спектр сравнивают с известными спектрами элементов. Метод позволяет исследовать даже очень далёкие объекты, например звёзды.
В атоме электрон не может обладать произвольной энергией: ему разрешены только определённые энергетические уровни. Это связано с квантовыми свойствами микромира, где устойчивыми оказываются лишь некоторые состояния электрона. Поэтому атом обладает дискретным, то есть состоящим из отдельных значений, набором энергий.
Если электрон переходит с более высокого уровня E₂ на более низкий E₁, атом теряет энергию. Она уносится фотоном, поэтому по закону сохранения энергии hν = E₂ − E₁. Чем больше разность уровней, тем больше энергия фотона и его частота.
При поглощении фотона происходит обратный процесс: электрон получает энергию и переходит на более высокий уровень. Такой переход возможен только тогда, когда энергия фотона точно совпадает с разностью уровней. Фотон с другой энергией не вызывает данный переход, поэтому атом не поглощает свет непрерывно по всем частотам.
В атоме возможны лишь переходы между существующими уровнями. Каждому переходу соответствует своя разность энергий, а значит, своя частота ν = ΔE/h. Совокупность этих частот образует линейчатый спектр, а не сплошную полосу.
Набор уровней определяется зарядом ядра и строением электронных оболочек атома. Поэтому у разных элементов различаются и наборы спектральных линий. Эта характерная «подпись» позволяет распознавать вещества по спектру, даже если исследуемый образец недоступен для непосредственного контакта.
| Вид спектра | Как возникает | Как выглядит | Что показывает |
|---|---|---|---|
| Спектр излучения атомарного газа | Возбуждённые атомы переходят на более низкие уровни и испускают фотоны | Яркие отдельные линии на тёмном фоне | Возможные переходы и состав излучающего газа |
| Спектр поглощения | Атомы поглощают фотоны определённых частот из проходящего света | Тёмные линии на фоне непрерывного спектра | Частоты переходов и состав поглощающего вещества |
| Непрерывный спектр | Излучение нагретого плотного тела, жидкости или газа | Плавный ряд цветов без отдельных промежутков | Распределение излучения по частотам, но не линейчатую «подпись» отдельного атома |
Сначала определите, является ли фон непрерывным или тёмным, а затем обратите внимание на положение линий. Яркие линии указывают на излучение, тёмные на непрерывном фоне — на поглощение. Для анализа состава сравнивают частоты линий с эталонными спектрами элементов.
Задача 1. Атом перешёл с уровня E₂ на уровень E₁, где E₂ > E₁. Найдите частоту испущенного фотона, если значения уровней заданы. Здесь переход направлен вниз, поэтому речь идёт об излучении.
Ответ: ν = (E₂ − E₁)/h.
Задача 2. Для атома заданы несколько энергетических уровней. Определите, какие частоты могут появиться в спектре излучения при переходах между ними. Нужно рассмотреть только переходы с более высокого уровня на более низкий.
Ответ: спектр содержит частоты νᵢ = (Eвыс − Eниз)/h для всех рассмотренных переходов.
Задача 3. По спектрам излучения и поглощения сравните возможные переходы атома и установите, какие линии должны совпасть по частоте. Требуется сопоставить процессы, а не внешний вид спектров.
Ответ: совпадают линии, соответствующие одинаковым парам энергетических уровней; различается только их вид — яркие линии излучения и тёмные линии поглощения.
Любая частота. Иногда считают, что атом может испустить фотон произвольной частоты. Ошибка возникает при забывании о дискретных уровнях; проверьте себя формулой hν = ΔE и списком возможных переходов.
Неверное направление перехода. При излучении электрон должен перейти вниз, а при поглощении — вверх. Если направление не согласуется с изменением энергии, процесс выбран неправильно.
Сумма энергий уровней. Энергию фотона задаёт не E₂ + E₁, а разность энергий начального и конечного состояний. Для проверки спросите себя, какую энергию теряет или получает атом.
Несвязанные спектры. Спектры излучения и поглощения одного элемента ошибочно считают независимыми. Сравните частоты: один и тот же переход даёт совпадающие линии, хотя одна будет яркой, а другая тёмной.
Для понимания темы нужны связь энергии фотона с частотой E = hν, а также представления об атоме и электроне. Эти знания объясняют, почему изменение энергии атома проявляется в виде определённой частоты света.
Спектры связаны со строением атома и квантовой физикой: по линиям можно исследовать энергетические уровни. Спектральный анализ применяют для определения химического состава звёзд, газов и лабораторных образцов.
Почему атомы излучают свет не всех частот?
Электрон в атоме может находиться только на определённых энергетических уровнях. Поэтому при переходе между ними испускается фотон лишь с энергией, равной разности этих уровней, а значит, только с определённой частотой.
Как определить частоту фотона при переходе между уровнями?
Сначала находят разность энергий уровней: ΔE = E₂ − E₁ для перехода вниз. Затем используют формулу ν = ΔE/h, где h — постоянная Планка.
Чем спектр излучения отличается от спектра поглощения?
Спектр излучения возникает, когда атомы испускают свет, и обычно выглядит как яркие линии на тёмном фоне. Спектр поглощения наблюдают после прохождения света через вещество: на непрерывном фоне появляются тёмные линии.
Почему спектр может помочь определить состав вещества?
Набор энергетических уровней зависит от строения атома каждого элемента. Поэтому каждый элемент имеет характерные частоты линий, по которым его можно узнать.
Могут ли спектры излучения и поглощения одного элемента иметь линии на одинаковых частотах?
Да, могут. В обоих случаях фотон связан с одной и той же разностью энергетических уровней, но в спектре излучения линия яркая, а в спектре поглощения — тёмная.
§ 46. Испускание и поглощение света атомами. Спектры
