§ 4.2. Спектры и спектральные аппараты

Определения и обозначения

Спектр — совокупность цветных линий или полос, получаемых при разложении излучения по частотам или длинам волн. Иначе говоря, он показывает, какие составляющие входят в свет. Это позволяет сравнивать излучение разных источников.

Сплошной спектр содержит все длины волн некоторого диапазона без разрывов. На экране он выглядит как непрерывная цветная полоса с плавным переходом цветов. Такой спектр удобен для изучения распределения энергии излучения.

Линейчатый спектр состоит из отдельных узких линий определённых частот. Каждая линия соответствует излучению или поглощению света определённой длины волны. По набору линий можно распознать химический элемент.

Спектральный аппарат — прибор для получения, наблюдения и исследования спектров. В нём свет сначала направляется в узкий пучок, затем разделяется по длинам волн. Поэтому прибор позволяет не только увидеть спектр, но и измерить его характеристики.

Как это устроено

Призма разделяет свет благодаря дисперсии: показатель преломления вещества зависит от длины волны. Поэтому красные, зелёные и фиолетовые лучи при входе и выходе из призмы преломляются неодинаково. Дифракционная решётка разделяет излучение иначе: волны, прошедшие через множество щелей, усиливают друг друга под разными углами для разных длин волн.

Нагретые твёрдые тела, жидкости и плотные газы излучают сплошной спектр, потому что атомы и молекулы часто взаимодействуют между собой. Их многочисленные энергетические переходы сливаются, а излучение заполняет широкий диапазон частот. У разреженного газа частицы сталкиваются реже, поэтому становятся заметны отдельные переходы атомов.

Каждый химический элемент создаёт собственный набор линий, поскольку его атомы имеют определённое строение и свой набор энергетических уровней. При переходе с одного уровня на другой атом испускает или поглощает фотон. Его частота определяется разностью энергий: hν = E₂ − E₁, поэтому последовательность линий служит своеобразным спектральным паспортом элемента.

Спектр поглощения возникает, когда сплошное излучение проходит через более холодный разреженный газ. Атомы газа поглощают только те фотоны, энергии которых подходят для переходов между их уровнями. В результате на непрерывном фоне появляются тёмные линии на тех же частотах, где данный газ дал бы яркие линии испускания.

Основные части спектрального аппарата — входная щель, коллиматор, диспергирующий элемент и зрительная труба. Щель формирует узкий источник света, а коллиматор превращает расходящийся пучок в почти параллельный. Призма или решётка разделяет этот пучок, после чего зрительная труба собирает лучи каждой длины волны и даёт возможность наблюдать спектр.

Виды спектров и условия их возникновения

Сначала определите, излучает ли источник свет сам или свет проходит через вещество. Затем сравните внешний вид спектра с третьим столбцом и проверьте условия его возникновения. Последний столбец показывает, какую информацию можно получить с помощью такого спектра.

Границы между видами спектров связаны не только с цветом, но и со строением вещества. Например, отдельные линии характерны для атомов разреженного газа, а тесные группы линий — для молекул.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Определите вид спектра раскалённой нити лампы накаливания и объясните условия его возникновения.

1. Нить сделана из твёрдого вещества, а не из разреженного газа.
2. При высокой температуре она излучает тепловой свет во всём видимом диапазоне, поэтому отдельные линии сливаются.
3. Следовательно, наблюдается непрерывная цветная полоса.

Ответ: сплошной спектр; он возникает при нагревании плотного твёрдого тела.

Задача 2

Условие. Спектральная линия имеет частоту 6,0·10¹⁴ Гц. Найдите её длину волны в вакууме.

1. Используем связь скорости света, частоты и длины волны: c = λν.
2. Выразим длину волны: λ = c/ν = 3,0·10⁸/(6,0·10¹⁴) м.
3. Получаем λ = 0,5·10⁻⁶ м = 5,0·10⁻⁷ м = 500 нм.

Ответ: длина волны равна 500 нм.

Задача 3

Условие. В спектре неизвестного газа обнаружены линии 486 нм, 656 нм и другие линии, совпадающие с таблицей спектра водорода. Что можно заключить о составе газа?

1. Сравним не одну линию, а весь набор наблюдаемых линий с эталонными спектрами.
2. Совпадение нескольких характерных линий означает, что в газе присутствуют атомы водорода.
3. Интенсивность линий может зависеть от температуры и количества вещества, но их положения определяются элементом.

Ответ: газ содержит водород; для вывода о других примесях нужно искать их характерные линии.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой спектр состоит из отдельных цветных полос. Её допускают, потому что слово «спектр» часто связывают с картинкой после призмы. Проверьте себя: у сплошного спектра нет разрывов, а отдельные линии особенно характерны для разреженных газов.

Ошибка: путать испускание и поглощение. Яркие линии появляются, когда вещество излучает, а тёмные — когда оно убирает отдельные частоты из проходящего сплошного света. Для проверки спросите себя, был ли газ источником света или находился между источником и прибором.

Ошибка: считать, что положение линий зависит только от температуры. Набор линий определяется элементом, тогда как температура заметно влияет на интенсивность и общий вид излучения. Сверяйте именно длины волн линий с таблицей, а не только их яркость.

Ошибка: называть спектром только изображение после призмы. Спектр — это распределение излучения по частотам или длинам волн, а призма и решётка лишь разделяют его компоненты. Поэтому спектр можно получить и зарегистрировать приборами без наблюдения цветной полосы глазами.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны длина волны, частота, скорость света, преломление и дисперсия; основная связь выражается формулой c = λν. Спектры объясняются через энергетические уровни атома и переходы между ними. Спектральный анализ применяется в астрофизике, химии, физике атома и при исследовании состава звёзд.

Что запомнить

• Спектр показывает распределение излучения по частотам или длинам волн.
• Сплошной спектр содержит непрерывный диапазон длин волн.
• Линейчатый спектр состоит из отдельных линий, характерных для атомов определённого элемента.
• Полосатые спектры связаны главным образом с излучением и поглощением молекул.
• Спектр поглощения возникает, когда сплошное излучение проходит через более холодный разреженный газ.
• По спектру можно определить химический состав источника или вещества на пути света.
• Основные части спектрального аппарата разделяют излучение и позволяют наблюдать его спектральный состав.