1. Спектры излучения и поглощения

Определения и обозначения

Спектр излучения — совокупность цветов или длин волн, на которые разлагается излучение источника. Иначе говоря, он показывает, какие составляющие входят в свет. Спектр нужен, чтобы изучать излучение не только по общей яркости, но и по отдельным длинам волн.

Непрерывный спектр — спектр, в котором представлены все длины волн некоторого диапазона без промежутков. При его наблюдении цвета плавно переходят один в другой. Такой вид спектра помогает увидеть полное распределение излучения по длинам волн.

Линейчатый спектр — спектр в виде отдельных ярких линий, соответствующих определённым длинам волн. Между линиями находятся участки, где излучение практически отсутствует. Набор таких линий используют как признак конкретного химического элемента.

Спектр поглощения — спектр с тёмными линиями, возникающими при поглощении веществом излучения определённых длин волн. Обычно эти линии наблюдаются на фоне непрерывного спектра. Они показывают, какие длины волн задержало вещество на пути света.

Как это устроено

Призма и дифракционная решётка разделяют свет потому, что разные длины волн распространяются в веществе и отклоняются по-разному. Для призмы это связано с дисперсией: показатель преломления зависит от длины волны. Дифракционная решётка направляет волны разных длин под разные углы, поэтому составляющие света расходятся и становятся видимыми отдельно.

Нагретые плотные тела, жидкости и газы под высоким давлением содержат огромное число взаимодействующих частиц. Их излучение складывается из множества близких длин волн, и отдельные линии сливаются. Поэтому после разложения такого света получается непрерывная цветная полоса.

В разреженном газе атомы находятся далеко друг от друга и излучают почти независимо. Возбуждённый атом может перейти из одного энергетического состояния в другое, испустив фотон определённой энергии. Энергия фотона связана с длиной волны, поэтому каждый атом создаёт отдельные линии, характерные для данного элемента.

Если перед источником непрерывного света поместить холодный разреженный газ, его атомы поглотят фотоны только некоторых энергий. Эти энергии соответствуют тем же переходам между уровнями, по которым атомы излучают свет. Поэтому на фоне сплошного спектра появляются тёмные линии в тех же местах, где могли бы быть яркие линии этого газа.

У каждого химического элемента свой набор энергетических уровней, а значит, свой набор спектральных линий. Учёные измеряют длины волн линий и сравнивают их с таблицами известных спектров. Так можно определить состав даже удалённой звезды: её свет несёт информацию об атмосфере, через которую он прошёл.

Виды спектров и условия их возникновения

Сначала по внешнему виду определите, есть ли сплошная полоса или отдельные линии. Затем установите, являются линии яркими или тёмными и в каком фоне они наблюдаются. Условия образования спектра позволяют понять, какое вещество исследуют и как применить результат.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Нагретая нить лампы накаливания рассматривается через спектроскоп. Какой спектр будет наблюдаться? Нужно определить вид источника и связать его с типом спектра.

1. Нить лампы — плотное твёрдое тело, нагретое до высокой температуры.
2. Нагретые плотные тела излучают широкий набор длин волн, а не отдельные независимые линии.
3. Спектроскоп разделит эти составляющие по направлениям, и наблюдатель увидит сплошную цветную полосу.

Ответ. Нить лампы даст непрерывный спектр.

Задача 2

Условие. В спектре неизвестного разреженного газа обнаружена яркая жёлтая линия с длиной волны около 589 нм. Какой вывод можно сделать? Одной линии недостаточно для абсолютно надёжного заключения, поэтому результат нужно сопоставить с полным набором линий.

1. Яркая отдельная линия показывает, что газ разреженный и возбуждённый.
2. Измеряем её положение: λ ≈ 589 нм.
3. Сравниваем это значение и остальные наблюдаемые линии с табличными спектрами элементов. Характерная жёлтая линия около 589 нм указывает на натрий, если остальные линии также совпадают.

Ответ. В газе, вероятно, присутствует натрий; окончательный вывод делают по совпадению нескольких линий.

Задача 3

Условие. В спектре звезды видны тёмные линии на длинах волн 486 и 656 нм, совпадающие с линиями водорода. Объясните происхождение линий и сделайте вывод о составе атмосферы звезды.

1. Звезда создаёт непрерывное излучение в глубоких горячих слоях.
2. На пути света находятся более холодные разреженные слои атмосферы. Атомы водорода поглощают фотоны определённых длин волн.
3. На фоне непрерывного спектра появляются тёмные линии при 486 и 656 нм. Их совпадение с линиями водорода служит признаком этого элемента.

Ответ. Линии возникли из-за поглощения света водородом; в атмосфере звезды обнаружен водород.

Типичные ошибки

Считать, что любой источник света даёт непрерывный спектр, неправильно. Вид спектра определяется не только температурой, но и плотностью и состоянием вещества. Проверьте себя: плотное тело даёт сплошную полосу, а разреженный возбуждённый газ — отдельные линии.

Линейчатый спектр часто путают с полосатым или непрерывным. У линейчатого спектра видны узкие линии строго определённых длин волн, разделённые тёмными промежутками. Если цвета переходят плавно, это не линейчатый спектр.

Тёмные линии иногда принимают за отсутствие излучения источника. На самом деле источник может давать непрерывный свет, а промежуточный газ поглощает отдельные длины волн. Проверьте наличие яркого фона: без него спектр поглощения не распознать.

Нельзя надёжно определять элемент только по цвету одной линии. Одинаковые или близкие линии могут встретиться у разных веществ, а измерение может содержать ошибку. Сравнивайте полный характерный набор линий с табличным спектром.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны распространение света, преломление и дисперсия. Дисперсия объясняет, почему призма разделяет цвета, а зависимость показателя преломления от длины волны определяет величину отклонения. Эти знания связывают наблюдаемый спектр с волновыми свойствами света.

Дальше спектры связываются со строением атома. Электроны могут переходить между уровнями энергии, испуская или поглощая фотоны определённых энергий. Поэтому спектральные линии становятся следствием квантовых свойств атомов.

Спектральный анализ применяют в астрофизике, исследовании веществ и диагностике плазмы. По линиям определяют состав горячих газов, атмосфер звёзд и лабораторных образцов. Метод работает даже тогда, когда взять пробу вещества невозможно.

Что запомнить

• Спектр показывает состав излучения по длинам волн.
• Непрерывный спектр дают нагретые плотные тела.
• Разреженные возбуждённые газы дают линейчатые спектры излучения.
• У каждого химического элемента есть свой набор спектральных линий.
• Спектр поглощения возникает, когда вещество поглощает определённые длины волн непрерывного излучения.
• Тёмные линии спектра поглощения совпадают с яркими линиями спектра излучения того же вещества.
• По спектру можно определить химический состав даже удалённого источника.