§ 4.3. Виды спектров

Определения и обозначения

Спектр — совокупность монохроматических излучений, на которые разлагается свет. Иначе говоря, это распределение излучения по длинам волн или частотам. Спектр нужен, чтобы увидеть, какие именно волны испускает или поглощает вещество.

Сплошной спектр содержит все длины волн в некотором диапазоне без промежутков. При его наблюдении цвета плавно переходят один в другой, если речь идёт о видимом свете. Такой вид спектра помогает отличить излучение плотного вещества от излучения отдельных атомов.

Линейчатый спектр состоит из отдельных узких светлых или тёмных линий. Светлые линии возникают при излучении, а тёмные — при поглощении определённых волн. Набор линий характерен для атомов и используется как их спектральный «отпечаток».

Полосатый спектр представляет собой группы близко расположенных линий, которые выглядят как светлые или тёмные полосы. Он связан прежде всего с молекулами, способными переходить между различными электронными, колебательными и вращательными состояниями. По полосам изучают состав и свойства молекулярных газов.

Как это устроено

Чтобы наблюдать спектр, свет направляют на призму или дифракционную решётку. Призма отклоняет волны разных длин на разные углы из-за дисперсии, а решётка усиливает дифракцию в определённых направлениях. Поэтому на экране или в приборе разные длины волн оказываются разделёнными.

Нагретые твёрдые тела, жидкости и плотные газы дают сплошной спектр, потому что их частицы тесно взаимодействуют. Излучение каждого атома изменяется под влиянием соседей, а отдельные линии сильно уширяются и перекрываются. В результате получается почти непрерывный набор длин волн.

Разреженный атомарный газ излучает линейчатый спектр, поскольку атомы находятся далеко друг от друга и почти не влияют друг на друга. Электрон в атоме может занимать только определённые энергетические уровни. При переходе с уровня с большей энергией на уровень с меньшей энергией испускается фотон с энергией E = hν, поэтому частота и длина волны фотона строго определены.

Молекулярный газ создаёт полосатый спектр, поскольку молекула имеет больше вариантов изменения энергии, чем отдельный атом. Электронный переход сопровождается переходами между колебательными и вращательными состояниями молекулы. Каждому варианту соответствует близкая спектральная линия, а множество таких линий сливается в полосу.

Спектр поглощения возникает, когда сплошное излучение проходит через более холодный разреженный газ. Атомы или молекулы поглощают только те фотоны, энергия которых подходит для перехода на более высокий энергетический уровень. Поэтому на фоне непрерывного спектра появляются тёмные линии или полосы, положения которых зависят от состава поглощающего газа.

Виды спектров и условия их возникновения

Сначала определите фон: светлые линии на тёмном фоне указывают на спектр излучения, а тёмные линии на непрерывном фоне — на спектр поглощения. Затем оцените структуру линий: одиночные линии характерны для атомов, а тесные группы — для молекул. Наконец, сопоставьте условия наблюдения с источником излучения.

Разбор задач

Задача 1. На экране видны отдельные яркие линии на тёмном фоне. Каков вид спектра и какое вещество могло быть источником? Нужно использовать сразу два признака: цвет линий и отсутствие непрерывного фона.

1. Яркие линии означают, что наблюдается спектр излучения, а не поглощения.
2. Раздельные узкие линии характерны для отдельных атомов, энергетические уровни которых имеют определённые значения.
3. Следовательно, источником может быть разреженный атомарный газ, например водород или натрий в газоразрядной трубке.

Ответ: наблюдается линейчатый спектр излучения; его может давать разреженный атомарный газ.

Задача 2. У звезды горячие внутренние слои окружены более холодной атмосферой, а в наблюдаемом свете видны тёмные линии. Почему они появляются? Сначала определим, какой свет создаёт фон, затем выясним, что происходит с ним в атмосфере.

1. Горячие плотные внутренние слои испускают сплошной спектр.
2. Проходя через более холодную атмосферу, свет встречает атомы и молекулы, способные поглощать определённые фотоны.
3. Энергии этих фотонов соответствуют переходам между уровнями поглощающих частиц, поэтому на сплошном фоне возникают тёмные линии или полосы.

Ответ: это спектр поглощения; по положениям линий можно определить состав атмосферы звезды.

Задача 3. Для неизвестного газа получен набор длин волн линий. Как установить, какой элемент или смесь элементов находится в сосуде? Одного совпадения недостаточно, поскольку случайно близкая линия может встретиться у разных веществ.

1. Измеряют все заметные длины волн линий неизвестного образца.
2. Сравнивают весь набор с эталонными спектрами известных элементов.
3. Если совпадает совокупность характерных линий, делают вывод о присутствии элемента; несколько независимых наборов указывают на смесь.

Ответ: проводят спектральный анализ, сопоставляя полный набор линий образца со справочными спектрами.

Типичные ошибки

Ошибка: считать линейчатый спектр сплошным спектром с разрывами. Так думают из-за внешнего сходства с прерывистой полосой, но физические причины различны: сплошной спектр создаёт плотное вещество, а линейчатый — разреженные атомы. Проверка: спросите себя, есть ли отдельные разрешённые переходы или непрерывный набор волн.

Ошибка: путать спектры излучения и поглощения. Светлые линии на тёмном фоне относятся к излучению, тёмные линии на сплошном фоне — к поглощению. Проверка: сначала определите, что является фоном, и только потом называйте вид спектра.

Ошибка: утверждать, что любой нагретый газ даёт сплошной спектр. Разреженный атомарный газ обычно излучает линии, тогда как плотность и взаимодействие частиц приводят к сплошному спектру. Проверка: учитывайте не только температуру, но и агрегатное состояние, плотность и состав газа.

Ошибка: определять элемент по одной совпавшей линии. Одна линия может совпасть случайно или принадлежать нескольким компонентам смеси. Проверка: сравнивайте всю совокупность линий и их относительное расположение со справочным спектром.

Связь с другими темами

Для понимания видов спектров нужны знания о дисперсии, длине волны, частоте, монохроматическом излучении и энергетических уровнях атома. Далее эта тема связывается с квантовыми постулатами, спектром атома водорода и строением уровней энергии. Практический результат — спектральный анализ: по свету определяют состав звёзд, газов и других веществ, даже если взять образец невозможно.

Что запомнить

• Спектр показывает распределение излучения по длинам волн.
• Сплошной спектр не имеет промежутков в рассматриваемом диапазоне.
• Линейчатые спектры характерны для разреженных атомарных газов.
• Полосатые спектры связаны главным образом с излучением или поглощением молекул.
• Каждый химический элемент имеет свой набор спектральных линий.
• Тёмные линии на фоне сплошного спектра образуют спектр поглощения.
• По спектру можно определить химический состав источника или поглощающего вещества.