§ 46. Спектры испускания и поглощения

Определения и обозначения

Спектр испускания — излучение источника, разложенное на составляющие по длинам волн. В зависимости от источника он выглядит либо как непрерывная цветная полоса, либо как отдельные яркие линии на тёмном фоне. По такому спектру можно исследовать, какие длины волн излучает вещество.

Спектр поглощения — спектр света, прошедшего через вещество, в котором некоторые длины волн ослаблены. На непрерывном фоне они выглядят как тёмные линии: вещество забирает часть света именно на этих длинах волн. Это позволяет обнаружить вещество на пути светового луча.

Линейчатый спектр — спектр из отдельных узких линий, характерный для излучения разреженного нагретого газа. Каждая линия соответствует определённой длине волны, поэтому спектр можно сравнивать с образцами известных элементов. Такое сравнение помогает установить состав газа.

Сплошной спектр содержит излучение в непрерывном диапазоне длин волн без отдельных разрывов. В нём представлены соседние участки спектра, а не только несколько выделенных линий. Он служит фоном, на котором особенно заметны линии поглощения.

Как это устроено

Нагретые плотные тела, например раскалённый металл, нить лампы накаливания или жидкость, дают сплошной спектр. В плотном веществе частицы взаимодействуют друг с другом, и излучение не ограничивается несколькими отдельными длинами волн. Поэтому после разложения света видна непрерывная полоса цветов.

Разреженный нагретый газ испускает свет не во всём диапазоне длин волн, а на отдельных характерных длинах. Атом газа может излучить фотон — частицу света — при изменении своего внутреннего состояния; энергия такого фотона связана с длиной волны. Поскольку возможны определённые значения энергии, на спектре появляются отдельные яркие линии, а между ними остаются тёмные промежутки.

У каждого химического элемента свой набор линий. Это связано с тем, что атомы элементов отличаются строением, а значит, отличаются и возможные изменения их внутреннего состояния. Поэтому набор линий можно использовать как своеобразную метку: сравнить наблюдаемый спектр с известными спектрами и найти совпадение.

Спектр поглощения возникает, когда свет с непрерывным спектром проходит через более холодный разреженный газ. Атомы газа поглощают из проходящего света фотоны определённых длин волн, переводя себя в другое внутреннее состояние. Свет этих длин волн ослабевает, поэтому на цветной непрерывной полосе появляются тёмные линии.

Линии поглощения газа совпадают по положению с линиями его спектра испускания. Причина в том, что один и тот же атом поглощает и излучает свет на соответствующих ему длинах волн. Если сравнить тёмные линии света звезды со спектрами известных элементов, можно определить состав газа, через который прошёл этот свет, даже когда источник очень далеко.

На схеме сравниваются интенсивности двух спектров при разных длинах волн: пики показывают яркие линии испускания, а провалы — ослабленные участки спектра поглощения. Их совпадающее положение показывает, что линии связаны с одним и тем же веществом.

Виды спектров и условия их наблюдения

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, на каком фоне видны линии: на тёмном или на сплошном. Затем сверьте вид спектра с условиями, при которых он возникает. Последний столбец подсказывает, какой вывод можно сделать по наблюдению.

Разбор задач

Задача 1. В спектре неизвестного разреженного газа видны яркие линии с определённым расположением. Как установить, какой это газ? Здесь наблюдается спектр испускания: газ сам излучает свет, а линии возникают на характерных длинах волн. Нужно выяснить, какому известному набору линий соответствует наблюдаемая картина.

1. Зафиксировать расположение ярких линий в спектре неизвестного газа.
2. Сравнить его с линейчатыми спектрами известных химических элементов.
3. Найти элемент, у которого линии совпадают по положению.

Ответ. Газ определяют по совпадению расположения его ярких линий с известным спектром элемента. Сходства только в числе линий недостаточно: важны их положения. Если совпадения нет, газ может быть смесью элементов или его спектра может не быть в используемом наборе образцов.

Задача 2. Белый свет прошёл через холодный разреженный газ. Как изменится его спектр и почему? Белый свет даёт непрерывный спектр, поэтому вначале в нём присутствует широкий диапазон длин волн. Газ может поглотить некоторые из них, и нужно предсказать, как это отразится на спектре.

1. Учесть, что атомы холодного разреженного газа поглощают свет на определённых длинах волн.
2. Сравнить спектр до и после прохождения света через газ: поглощённые составляющие станут слабее.
3. Представить результат как сплошную полосу с тёмными линиями в местах поглощения.

Ответ. На фоне сплошного спектра появятся тёмные линии. Их положение зависит от газа и совпадает с линиями его спектра испускания. Сам источник белого света не создаёт эти провалы: они возникают из-за газа на пути света.

Задача 3. В спектре звезды найдены тёмные линии, совпадающие с линиями поглощения известного элемента. Что можно заключить о звезде? Тёмные линии означают, что часть света звезды была поглощена газом. Чтобы определить, какой газ вызвал поглощение, сопоставим положение линий с эталонным спектром элемента.

1. Убедиться, что линии звёздного спектра совпадают по положению с линиями известного элемента.
2. Учесть, что совпадение является признаком поглощения света атомами этого элемента.
3. Сделать вывод о наличии элемента в газе, через который прошёл свет звезды.

Ответ. В газе, поглотившем часть звёздного света, присутствует данный элемент. Этот газ может находиться в атмосфере звезды или на пути света между звездой и наблюдателем. Само совпадение линий позволяет обнаружить элемент, но не указывает автоматически, где именно расположен поглощающий газ.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что любой нагретый источник даёт линейчатый спектр. Так думают, потому что нагрев связывают с появлением света и не учитывают состояние вещества. Проверьте, что именно излучает источник: плотное тело или жидкость дают сплошной спектр, а разреженный газ — линейчатый.

• Ошибка — путать яркие линии испускания с тёмными линиями поглощения. Их легко спутать, если смотреть только на расположение линий, а не на фон. Проверьте, видны ли линии на тёмном фоне или на непрерывной цветной полосе.

• Ошибка — считать, что спектр поглощения создаёт сам источник сплошного света. На деле источник даёт непрерывный свет, а линии появляются из-за вещества, через которое он проходит. Чтобы проверить себя, проследите путь света и найдите разреженный газ между источником и наблюдателем.

• Ошибка — думать, что линии элемента смещаются при переходе от испускания к поглощению. Можно ошибочно принять яркие и тёмные линии за разные длины волн из-за их противоположного вида. Сравните положения линий: у одного элемента они совпадают, меняется только яркость относительно фона.

Связь с другими темами

Для понимания спектров нужно знать, что белый свет можно разложить на составляющие разных цветов, соответствующие разным длинам волн. Связь света с атомами объясняет, почему вещество излучает или поглощает не любые, а определённые длины волн. Представления о строении вещества помогают понять происхождение характерных линий элементов.

По спектральным линиям проводят спектральный анализ — определение состава по излучению или поглощению света. Этот метод применяют в физике для исследования веществ и в астрономии для изучения небесных тел, недоступных для непосредственного исследования. Поэтому связь между строением атомов и спектром позволяет узнавать состав далёких источников света.

Что запомнить

• Плотные нагретые тела и жидкости дают сплошной спектр.

• Разреженный нагретый газ испускает линейчатый спектр.

• У каждого химического элемента свой характерный набор спектральных линий.

• Холодный разреженный газ поглощает отдельные длины волн проходящего света.

• В спектре поглощения тёмные линии расположены на фоне сплошного спектра.

• Линии поглощения элемента совпадают с его линиями испускания.

• По спектру можно определять химический состав вещества.