§ 24. Атомные спектры

Определения и обозначения

Атомный спектр — совокупность частот или длин волн излучения либо поглощения, характерная для атомов вещества. Он показывает, какие участки спектра связаны с данным веществом. По спектру можно изучать состав источника света.

Спектральная линия — узкий участок спектра определённой длины волны, соответствующий излучению или поглощению атомами. На экране линия выглядит как яркая или тёмная полоска. Её положение помогает распознать элемент.

Непрерывный спектр — спектр, в котором представлены все длины волн некоторого диапазона без разрывов. В нём цвета плавно переходят один в другой. Такой спектр удобен как фон для обнаружения линий поглощения.

Спектральный анализ — определение химического состава вещества по характерным спектральным линиям. Для этого наблюдаемый спектр сравнивают со спектрами известных элементов. Метод позволяет исследовать источники, к которым невозможно приблизиться.

Как это устроено

Свет состоит из волн разных длин и частот. Призма преломляет их неодинаково: короткие и длинные волны отклоняются на разные углы, поэтому разделяются. Спектральный прибор с призмой или дифракционной решёткой направляет составляющие света в разные места, и получается спектр.

Нагретое плотное тело содержит большое число взаимодействующих частиц. Из-за этих взаимодействий излучение возникает во множестве близких частот, поэтому отдельные линии сливаются в сплошную полосу. Так появляются непрерывные спектры раскалённых твёрдых тел, жидкостей и плотных газов.

В разреженном газе атомы находятся далеко друг от друга и излучают почти независимо. Возбуждённый атом может перейти из состояния с большей энергией в состояние с меньшей, испустив фотон определённой частоты. Поэтому вместо сплошной полосы наблюдаются отдельные яркие линии.

Спектр поглощения возникает, когда свет с непрерывным спектром проходит через более холодный разреженный газ. Атомы этого газа поглощают только те фотоны, энергии которых подходят для переходов между их уровнями. В результате на непрерывном фоне появляются тёмные линии в тех же местах, где данный газ мог бы излучать.

Набор возможных энергетических состояний определяется строением атома. Поэтому каждый элемент поглощает и излучает свои частоты, а положение его линий остаётся характерным. Температура влияет главным образом на число возбуждённых атомов и яркость линий, тогда как их положение задаётся самим элементом.

Виды атомных спектров и их особенности

Сначала определите фон и вид линий, а затем установите условие образования спектра. Для определения вещества сравнивайте не одну линию, а весь набор положений и относительных яркостей с эталонным спектром. Такая последовательность помогает не перепутать излучение с поглощением.

Разбор задач

Задача 1. На экране видны яркие цветные линии на чёрном фоне, а источником служит разреженный газ в газоразрядной трубке. Нужно определить вид спектра по его виду и условиям получения.

1. Яркие линии на тёмном фоне — признак спектра излучения.
2. Разреженный возбуждённый газ излучает отдельные частоты, а не сплошной набор длин волн.
3. Следовательно, наблюдается линейчатый спектр излучения.

Ответ: линейчатый спектр излучения.

Задача 2. Частота света ν = 5,0·10¹⁴ Гц. Найдём длину волны при c = 3,0·10⁸ м/с и оценим цвет.

1. Используем связь λ = c/ν.
2. Подставим значения: λ = (3,0·10⁸)/(5,0·10¹⁴) = 6,0·10⁻⁷ м.
3. Переведём результат: 6,0·10⁻⁷ м = 600 нм. Это область оранжево-красного света, ближе к оранжевой.

Ответ: λ = 600 нм; свет имеет примерно оранжевый цвет.

Задача 3. В спектре неизвестного газа обнаружены линии 486 нм, 589 нм и 656 нм. По таблице спектров нужно установить состав газа, учитывая возможные совпадения.

1. Сопоставляем 486 нм и 656 нм с эталонными линиями водорода: обе линии характерны для его спектра.
2. Линия 589 нм совпадает с известной линией натрия.
3. Поскольку наблюдается совокупность линий, наиболее обоснованный вывод — в газе присутствуют водород и натрий. Для окончательной проверки сравнивают дополнительные линии элементов.

Ответ: по данным линиям предполагаются водород и натрий; вывод подтверждают полным сравнением спектра.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой спектр состоит только из цветов радуги. Так думают из-за привычного опыта с призмой, но линии могут лежать в ультрафиолетовой или инфракрасной областях и быть невидимыми. Проверьте, есть ли промежутки и учитывается ли весь диапазон длин волн.

Ошибка: путать спектры излучения и поглощения. Яркие линии находятся на тёмном фоне, а тёмные — на фоне непрерывного спектра, поэтому сначала рассмотрите фон. Затем определите, испускает ли газ свет или задерживает отдельные длины волн.

Ошибка: считать, что положение линии зависит только от температуры. Температура меняет возбуждение атомов и интенсивность свечения, но положение линии задаётся строением атома. Для проверки сравните длины волн при разных температурах.

Ошибка: определять состав по одной случайной линии. Одна линия может совпасть с линией другого элемента или оказаться ошибочно измеренной. Надёжный вывод делают по совокупности характерных линий и сравнению со спектром-образцом.

Связь с другими темами

Для работы со спектрами нужно знать длину волны, частоту и скорость света, а также формулу λ = c/ν. Она позволяет переходить от частоты к длине волны и обратно.

Тема связана с дисперсией света: призма разделяет белый свет на составляющие с разными длинами волн. Это объясняет, как получают спектр для наблюдения и измерений.

Атомные спектры подготавливают изучение строения атома и квантовых переходов. Спектральный анализ применяют для определения состава звёзд и галактик.

Что запомнить

• Атомные спектры возникают при излучении или поглощении света атомами.
• Непрерывный спектр не имеет разрывов в рассматриваемом диапазоне.
• Разреженные возбуждённые газы дают линейчатые спектры излучения.
• Холодный разреженный газ может образовать тёмные линии поглощения.
• Набор спектральных линий индивидуален для каждого химического элемента.
• Спектральный анализ позволяет определять состав вещества по его спектру.