§ 4.4. Спектральный анализ

Определения и обозначения

Спектральный анализ — метод определения химического состава вещества по его спектру. Он нужен, чтобы выяснить, какие элементы присутствуют в образце, даже если вещество нельзя разделить на части или взять его пробу. Для этого сравнивают наблюдаемые спектральные линии с известными эталонными наборами.

Оптический спектр — совокупность монохроматических излучений, на которые можно разложить свет. Монохроматическим называют свет одной частоты или длины волны; разные его составляющие в спектре располагаются по-разному. Понятие помогает описать, из каких «цветовых компонентов» состоит свет источника.

Линейчатый спектр — спектр, состоящий из отдельных цветных линий определённых частот. Каждая линия соответствует излучению определённой частоты, а весь набор линий связан с конкретным веществом. По этому набору можно распознавать элементы.

Спектр поглощения — спектр с тёмными линиями поглощённых веществом частот. Такие линии возникают, когда вещество убирает из проходящего света часть излучения. Их положение тоже помогает определить состав вещества, поэтому спектр поглощения используют наряду со спектром излучения.

Как это устроено

Чтобы увидеть спектр, свет направляют в спектроскоп. Внутри прибора призма или дифракционная решётка разделяет излучение по длинам волн: разные составляющие отклоняются или распространяются под разными углами. Поэтому вместо единого светового пятна наблюдатель видит упорядоченную картину линий, полос или непрерывного цветного перехода.

Нагретое плотное тело испускает свет во всём широком диапазоне частот, поэтому его спектр выглядит сплошным. В плотном веществе частицы сильно взаимодействуют, и излучение не ограничивается небольшим набором отдельных частот. В разреженном атомарном газе атомы сталкиваются реже, а их электроны могут переходить между определёнными энергетическими состояниями; при таких переходах излучаются фотоны строго определённых энергий, образующие отдельные линии.

Набор линий каждого химического элемента индивидуален, потому что у атомов разных элементов различаются строение и энергетические состояния электронов. При переходе электрона между двумя состояниями атом испускает или поглощает фотон с энергией, равной разности энергий этих состояний. Следовательно, частоты линий зависят от свойств атома и образуют характерную спектральную «подпись» элемента.

Если свет от плотного источника проходит через более холодный газ, атомы газа поглощают фотоны некоторых частот. Это происходит, когда энергия фотона подходит для перехода электрона на более высокий энергетический уровень. После прохождения света остальные частоты сохраняются, а поглощённые оказываются ослабленными; поэтому на фоне сплошного спектра видны тёмные линии.

Для анализа сначала получают спектр неизвестного вещества, затем отмечают положения его линий и сопоставляют их с эталонными спектрами элементов. Совпадение нескольких характерных линий позволяет установить, какие элементы входят в состав образца; совпадение только одной линии недостаточно. Тот же принцип работает для света звёзд: он доходит до Земли, и по его линиям можно исследовать состав удалённого источника без отбора вещества.

Виды оптических спектров и условия их возникновения

Сначала определите, что именно излучает свет и проходит ли он через более холодное вещество. Затем по виду спектра различайте непрерывный фон, отдельные линии и полосы либо тёмные линии поглощения. Таблица показывает типичные условия возникновения спектров, а не единственные возможные ситуации.

Разбор задач

Задача 1. В спектре неизвестного газа наблюдаются линии с длинами волн 486,1 нм, 434,0 нм и 410,2 нм. Определите газ по таблице спектральных линий. Нужно сопоставить не отдельную линию, а весь указанный набор с эталонными спектрами. Длины волн записаны в нанометрах, поэтому при сравнении единицы должны совпадать.

1. В таблице ищем элементы, у которых есть линия около 486,1 нм. Она указывает на возможные варианты, но пока не даёт окончательного ответа.
2. Проверяем, есть ли у найденного элемента также линии около 434,0 нм и 410,2 нм. Эти значения входят в характерный набор видимых линий водорода.
3. Сверяем все три положения линий с таблицей и исключаем элементы, у которых совпадает только одна из них. Совпадение полного набора делает определение надёжнее.

Ответ: водород. В видимом спектре его линии образуют характерную серию, в которую входят указанные длины волн.

Задача 2. На фотографии спектра звезды видны яркие линии, совпадающие с линиями водорода и гелия. Какие элементы входят в состав звезды? Здесь нужно применить индивидуальность спектров: положение линий служит признаком конкретного элемента. Фотография спектра передаёт свет звезды, поэтому отдельную пробу вещества брать не требуется.

1. Выделяем на фотографии яркие линии и отмечаем их длины волн или положения относительно шкалы прибора.
2. Сравниваем наблюдаемые линии с эталонными спектрами. Условие сообщает совпадение с линиями водорода и гелия.
3. Делаем вывод по двум наборам совпадений: в излучающем веществе присутствуют оба элемента. Чтобы подтвердить вывод, проверяем несколько линий каждого элемента, а не только одну.

Ответ: в составе звезды обнаружены водород и гелий. Спектральный анализ позволяет установить наличие элементов, но сам по себе не означает, что другие элементы отсутствуют, если их линии не указаны.

Задача 3. Свет от раскалённого тела проходит через холодный натриевый пар. Как изменится спектр и почему? Раскалённое тело создаёт сплошной спектр, в котором присутствуют разные частоты. Атомы натрия способны поглощать из него излучение лишь на определённых частотах.

1. Определяем исходный вид спектра: от раскалённого плотного тела он сплошной.
2. Учитываем действие холодного пара: атомы натрия поглощают фотоны подходящих частот, энергия которых соответствует переходам электронов.
3. После прохождения через пар сравниваем интенсивность разных частот. На месте поглощённых частот появляются тёмные линии на фоне сплошного спектра.

Ответ: получится спектр поглощения с тёмными натриевыми линиями. Они совпадают по положению с характерными линиями натрия.

Типичные ошибки

Считать, что любой источник даёт линейчатый спектр. Такую ошибку допускают, перенося свойства разреженного газа на все вещества; проверка — выяснить агрегатное состояние и плотность излучающего вещества, ведь нагретое плотное тело даёт сплошной спектр.

Путать спектр излучения со спектром поглощения: яркие линии возникают при излучении, а тёмные — когда вещество поглощает часть проходящего света. Ошибка появляется из-за того, что оба типа связаны с одними и теми же частотами атома. Чтобы проверить себя, уточните, наблюдается ли газ сам по себе или свет проходит через него.

Определять элемент по одной совпавшей линии рискованно: одна частота может встретиться в спектрах разных веществ. Проверяйте характерный набор линий и расположение каждой из них; так проще исключить случайное совпадение и надёжно установить элемент.

Считать, что положение спектральной линии меняется при изменении температуры, — неверно для характерных линий элемента. Температура главным образом влияет на интенсивность линий и на то, какие линии заметны в наблюдаемом спектре. Проверьте рассуждение, разделив вопрос о положении линии и вопрос о её яркости.

Связь с другими темами

Для понимания спектрального анализа нужно знать, что такое частота и длина волны света, а также как дисперсия разделяет свет на спектр. Понимание строения атома объясняет, почему переходы электронов связаны с определёнными частотами излучения и поглощения.

Дальше эти знания применяются в астрофизике, химическом анализе и диагностике плазмы. По свету звёзд определяют их состав, а в лаборатории спектры помогают исследовать вещества и горячие ионизованные газы.

Что запомнить

• Каждый химический элемент имеет собственный набор спектральных линий.
• По спектру можно определить качественный химический состав вещества.
• Нагретое плотное тело даёт сплошной спектр.
• Разреженный атомарный газ даёт линейчатый спектр излучения.
• Холодный газ на пути сплошного излучения создаёт спектр поглощения.
• Спектральный анализ позволяет исследовать удалённые источники без отбора вещества.