"Физика", Перышкин А.В., Гутник Е.М.
Оптический спектр показывает, из каких длин волн состоит излучение. Его получают, разлагая свет с помощью призмы или дифракционной решётки. По виду спектра можно понять, является ли источник плотным телом, разреженным газом или молекулярным веществом, а по набору линий — определить химический состав. Спектры бывают сплошными, линейчатыми и полосатыми, а тёмные линии возникают при поглощении отдельных длин волн.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оптический спектр — совокупность цветов или длин волн излучения, получаемая при разложении света. Его наблюдают, направляя свет на призму или дифракционную решётку, которые отклоняют разные длины волн по-разному. Спектр нужен, чтобы увидеть состав излучения и исследовать вещество, испускающее или поглощающее свет.
Сплошной спектр — спектр, в котором цвета плавно переходят один в другой без промежутков. В нём присутствуют все длины волн некоторого диапазона. По такому виду спектра узнают излучение нагретого плотного вещества.
Линейчатый спектр — спектр из отдельных ярких цветных линий. Набор линий характерен для атомов определённого химического элемента и служит его своеобразным спектральным отпечатком. Это позволяет обнаруживать элементы даже в очень далёких источниках.
Полосатый спектр состоит из отдельных широких полос, а не из одиночных узких линий. Он характерен преимущественно для излучения молекул, в которых возможны многочисленные близкие переходы. Поэтому по полосам можно судить о наличии молекулярного вещества.
Белый свет содержит волны разных длин, а показатель преломления вещества призмы зависит от длины волны. Поэтому лучи разных цветов отклоняются на разные углы и выходят раздельно. Дифракционная решётка разделяет свет иначе: волны усиливают друг друга в одних направлениях и ослабляют в других, причём направление зависит от длины волны.
Вид спектра определяется не только цветом излучения, но и состоянием вещества, его температурой и плотностью. Существенны также строение атомов и молекул, потому что именно оно задаёт возможные энергетические переходы. Поэтому один и тот же материал при разных условиях может давать неодинаковую картину излучения.
Нагретые твёрдые тела, жидкости и плотные газы дают сплошной спектр. В плотном веществе частицы часто взаимодействуют друг с другом, а энергетические состояния сильно сближаются. Из-за этого излучается множество близких длин волн, и отдельные промежутки не различаются.
Разреженный нагретый газ излучает линейчатый спектр, потому что его атомы почти не сталкиваются и сохраняют характерные энергетические уровни. Атом может перейти с одного уровня на другой, испустив фотон строго определённой энергии. Энергия фотона связана с частотой и длиной волны, поэтому каждому переходу соответствует своя линия, а набор линий определяется химическим элементом.
Спектр поглощения возникает, когда сплошной свет проходит через более холодный разреженный газ. Атомы газа поглощают только те фотоны, энергия которых подходит для перехода на другой уровень. Поэтому на фоне непрерывного спектра появляются тёмные линии, а у молекул — тёмные полосы.
| Тип спектра | Как выглядит | Условия возникновения | Что излучает или поглощает | Примеры и значение |
|---|---|---|---|---|
| Сплошной спектр | Плавный переход цветов без промежутков | Нагретое плотное вещество | Твёрдое тело, жидкость или плотный газ излучает | Нить лампы; оценка температуры источника |
| Линейчатый спектр излучения | Отдельные яркие узкие линии | Нагретый разреженный газ | Атомы химического элемента излучают | Идентификация элементов в газе или звезде |
| Полосатый спектр излучения | Отдельные широкие светлые полосы | Нагретый разреженный молекулярный газ | Молекулы излучают | Исследование молекулярного состава |
| Линейчатый спектр поглощения | Тёмные линии на сплошном фоне | Сплошной свет проходит через холодный разреженный газ | Атомы поглощают отдельные длины волн | Определение элементов в атмосфере звезды |
| Полосатый спектр поглощения | Тёмные широкие полосы | Сплошной свет проходит через холодный молекулярный газ | Молекулы поглощают группы длин волн | Определение молекул в газовых оболочках |
Сначала определите, светлые или тёмные участки видны на фоне: это отличает спектр излучения от спектра поглощения. Затем посмотрите на форму участков — отдельные узкие линии или широкие полосы — и оцените состояние вещества.
Если цвета соединены непрерывно, перед вами сплошной спектр. При анализе состава сравнивают положение линий или полос с известными спектрами химических элементов и молекул.
Задача 1. При разложении света, излучаемого раскалённой нитью лампы, наблюдается плавная последовательность цветов без разрывов. Определите тип спектра.
Ответ: наблюдается сплошной спектр.
Задача 2. Нагретый разреженный газ неизвестного элемента даёт несколько ярких линий. Объясните, почему по этим линиям можно определить состав газа.
Ответ: состав определяют по индивидуальному набору спектральных линий, сравнивая его со справочными спектрами.
Задача 3. Свет звезды имеет сплошной спектр с тёмными линиями. Как определить, какие химические элементы находятся в её атмосфере?
Ответ: элементы находят по совпадению тёмных линий спектра звезды с эталонными спектрами.
Ошибка — считать любой спектр радугой. Спектр может состоять из отдельных линий, широких полос или тёмных участков на светлом фоне, поэтому одного цвета недостаточно для его определения. Проверьте, есть ли промежутки и являются ли наблюдаемые участки светлыми или тёмными.
Линейчатый спектр часто путают с полосатым. Узкая отдельная линия относится к линейчатому спектру, а широкая полоса обычно образована множеством близко расположенных линий молекул. Уточните не только число участков, но и их ширину.
Неверно утверждать, что сплошной спектр дают только раскалённые твёрдые тела. Его также создают нагретые жидкости и плотные газы, поскольку в плотном веществе излучается множество близких длин волн. В условии задачи ищите указание на плотность и агрегатное состояние.
Тёмные линии не означают, что источник совсем не излучает эти волны. Они появляются, когда вещество на пути света поглощает определённые длины волн. Проверьте, есть ли за поглощающим газом источник со сплошным спектром.
Для понимания темы нужны знания о разложении белого света, дисперсии и устройстве призмы или дифракционной решётки. Дисперсия объясняет разделение цветов, а решётка позволяет наблюдать спектр благодаря дифракции.
Спектры лежат в основе спектрального анализа. С его помощью определяют состав газов, звёзд и других удалённых объектов, не доставляя вещество в лабораторию.
Тема связана с атомной физикой: спектральные линии отражают дискретные энергетические уровни атомов и молекул. Поэтому по длинам волн можно судить о строении вещества.
Почему спектр раскалённого газа состоит из отдельных линий?
В разреженном газе атомы излучают свет при переходах между определёнными энергетическими уровнями. Поэтому испускаются только некоторые длины волн, а в спектре видны отдельные яркие линии.
Чем линейчатый спектр отличается от полосатого?
Линейчатый спектр состоит из отдельных узких линий и обычно связан с излучением атомов. Полосатый спектр выглядит как набор широких полос, которые создаются близко расположенными линиями молекул.
Почему у разных химических элементов разные спектры?
У атомов разных элементов различаются строение и энергетические уровни. Поэтому переходы между уровнями происходят при разных значениях энергии, и каждый элемент имеет свой набор спектральных линий.
Как отличить спектр поглощения от спектра излучения?
В спектре излучения видны светлые линии или полосы на тёмном фоне либо непрерывное свечение. В спектре поглощения на фоне сплошного спектра появляются тёмные линии или полосы.
Можно ли определить состав звезды по её спектру?
Да. Свет звезды обычно имеет сплошной спектр с тёмными линиями, возникающими в её атмосфере. Сопоставляя положение этих линий со спектрами известных элементов, определяют состав атмосферы.
§ 50 Типы оптических спектров
