при каких условиях получается сплошной спектр

Линейчатые спектры

теория по физике 🧲 оптика

Если пропустить солнечный свет через стеклянную призму или дифракционную решётку, то на экране получится хорошо известный нам спектр. Спектр, который вы видите ниже, называется непрерывным спектром. Он представляет собой сплошную полосу, состоящую из разных цветов, плавно переходящих друг в друга.

Непрерывный (сплошной) спектр — разновидность спектра, в которой присутствуют все длины волн видимого диапазона (от красной границы до фиолетовой).

Излучения, обладающие непрерывным спектром:

Пример №1. Будет ли излучать свет в непрерывном спектре спираль работающей электроплиты?

В данном случае да, поскольку спирать — твердое тело, нагретое до высокой температуры.

Линейчатый спектр и его виды

Картина резко меняется, когда мы наблюдаем свечение, излучаемое разреженными газами. Спектр перестает быть непрерывным: в нём появляются разрывы, которые увеличиваются по мере разрежения газа. В предельном случае чрезвычайно разреженного атомарного газа спектр становится линейчатым.

Линейчатый спектр — спектр, который состоит из отдельных достаточно тонких линий.

Линейчатый спектр бывает двух видов:

Спектр испускания

Предположим, что газ состоит из атомов некоторого химического элемента и разрежен настолько, что атомы почти не взаимодействуют друг с другом. Раскладывая в спектр излучение такого газа (нагретого до очень высокой температуры), мы сможем наблюдать такую картину, как на картинке ниже.

Спектр испускания — линейчатый спектр, который состоит из тонких изолированных разноцветных линий, соответствующих тем длинам волн света, который излучается атомами.

Любой атомарный разреженный газ излучает свет с линейчатым спектром. Но наибольшую важность имеет то, что для любого химического элемента спектр испускания является уникальным. Поэтому по нему можно устанавливать, какой химический элемент находится перед нами. Он является своего рода идентификатором.

Поскольку газ разрежен и атомы мало взаимодействуют друг с другом, мы можем сделать следующий вывод:

Свет излучают атомы сами по себе. Следовательно, каждый атом характеризуется дискретным, строго определённым набором длин волн излучаемого света. У каждого химического элемента этот набор свой.

Спектр поглощения

Атомы излучают свет в процессе перехода из возбуждённого состояния в основное. Но вещество может не только излучать, но и поглощать свет. При поглощении света атом совершает обратный процесс — он переходит из основного состояния в возбуждённое.

Снова рассмотрим разреженный атомарный газ, но теперь в охлажденном состоянии (при довольно низкой температуре). Свечения газа в этом случае мы не увидим. В не нагретом состоянии газ не излучает свечение, так как атомов в возбуждённом состоянии оказывается для этого слишком мало.

Если сквозь охлажденный газ пропустить свет с непрерывным спектром, мы увидим следующую картину (см. рисунок ниже).

Спектр поглощения — темные линии на фоне непрерывного спектра, соответствующие тем длинам волн света, которые поглощаются атомами и излучаются впоследствии при сильном нагревании.

Объясним, откуда берутся темные линии. Под действием падающего света газовые атомы переходят в возбуждённое состояние. При этом оказывается, что для возбуждения атомов нужны не любые длины волн, а лишь некоторые, строго определённые для данного вида газа. Именно эти длины волн газ поглощает из падающего на него света.

Внимание! Газ поглощает те длины волн, которые излучает сам. Поэтому, цветные линии на спектре испускания соответствуют темным линиям на спектре поглощения. Если их сложить, можно получить непрерывный спектр.

На рисунке ниже сопоставлены спектры испускания и поглощения разреженных паров натрия.

Глядя на спектры испускания и поглощения, ученые XIX века пришли к выводу, что атом не является неделимой частицей и обладает некоторой внутренней структурой. Ведь что-то внутри атома должно обеспечивать процессы излучения и поглощения света.

Кроме того, уникальность атомных спектров говорит о том, что этот механизм различен у атомов разных химических элементов. Поэтому атомы разных химических элементов должны отличаться по своему внутреннему устройству.

Спектральный анализ

Использование линейчатых спектров в качестве идентификаторов химических элементов лежит в основе спектрального анализа.

Спектральный анализ — метода исследования химического состава вещества по его спектру.

Идея спектрального анализа заключается в следующем. Спектр излучения исследуемого вещества сопоставляется с эталонными спектрами химических элементов. Затем делается вывод о присутствии или отсутствии различных химических элементов в исследуемом образце. При определённых условиях посредством спектрального анализа можно определить химический состав не только качественно, но и количественно.

В результате наблюдения различных спектров были открыты новые химические элементы. Первыми из таких элементов были цезий и рубидий. Названия эти элементы получили по цвету линий своего спектра. Так, в спектре цезия больше всего выражены две линии небесно-синего цвета, который на латинском языке звучит как caesius. Рубидий же даёт две отчетливые линии рубинового цвета.

В 1868 году в спектре солнечного света были обнаружены линии, не соответствующие ни одному из известных химических элементов. Этот элемент был назван гелием (от греческого гелиос — солнце). Впоследствии гелий был найден в атмосфере нашей планеты. Спектральный анализ излучения Солнца и других звезд показал, что все входящие в их состав входят элементы имеются и на Земле. Таким образом, оказалось, что все объекты Вселенной собраны из одного и того же набора элементов.

Пример №2. Какую картинку можно получить, если провести спектральный анализ вещества, состоящего из двух химических элементов?

Спектры испускания и спектры поглощения будут накладываться друг на друга. В итоге можно будет получить спектр испускания, в котором будут присутствовать все длины волн, соответствующие тем, что испускаются первым и вторым химическим элементом. В спектре поглощения эти же длины волн будут отсутствовать.

На рисунке приведены спектр поглощения неизвестного газа и спектры поглощения атомарных паров известных элементов. По виду спектров можно утверждать, что неизвестный газ содержит атомы

а) азота (N), магния (Mg) и другого неизвестного вещества

в) только магния (Mg)

г) только магния (Mg) и азота (N)

Алгоритм решения

Решение

Если спектр поглощения неизвестного газа содержит все линии, которые есть на спектре известного элемента, то этот газ содержит этот элемент.

Видно, что спектр поглощения неизвестного газа включает в себя все линии, которые есть в спектре поглощения магния. Следовательно, этот газ содержит магний.

Видно, что спектр поглощения неизвестного газа включает в себя все линии, которые есть в спектре поглощения азота. Следовательно, этот газ также содержит азот.

Но кроме линий, соответствующих азоту и магнию, на спектре поглощения газа наблюдаются другие линии. Следовательно, газ содержит как минимум еще один элемент.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

На рисунке приведены спектр поглощения разреженных атомарных паров неизвестного вещества (в середине) и спектры поглощения паров известных элементов (вверху и внизу). По анализу спектров можно утверждать, что неизвестное вещество содержит

а) только натрий (Na) и водород (Н)

б) только водород (Н) и гелий (Не)

в) водород (Н), гелий (Не) и натрий (Na)

г) натрий (Na), водород (H) и другие элементы, но не гелий (He)

Алгоритм решения

Решение

Если спектр поглощения неизвестного газа содержит все линии, которые есть на спектре известного элемента, то этот газ содержит данный элемент.

Видно, что спектр поглощения неизвестного вещества включает в себя все линии, которые есть в спектре поглощения водорода и натрия. Но линий, соответствующих спектру поглощения гелия, в нем нет. Следовательно, это вещество содержит водород, натрий, но не содержит гелий.

Кроме линий, соответствующих водороду и натрию, на спектре поглощения вещества наблюдаются другие линии. Следовательно, оно содержит как минимум еще один элемент.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

На рисунках А, Б и В приведены спектры излучения паров кальция Ca, стронция Sr и неизвестного образца.

Можно утверждать, что в неизвестном образце

а) не содержится стронция

б) не содержится кальция

в) содержатся кальций и ещё какие-то элементы

г) содержится только кальций

Алгоритм решения

Решение

Если спектр излучения неизвестного образца содержит все линии, которые есть на спектре излучения известного элемента, то этот образец содержит данный элемент.

Видно, что спектр излучения неизвестного образца включает в себя все линии, которые есть в спектре излучения стронция. Но линий, соответствующих спектру излучения кальция, в нем нет. Следовательно, этот образец не содержит кальций.

Кроме линий, соответствующих стронцию, на спектре излучения неизвестного образца наблюдаются другие линии. Следовательно, он содержит как минимум еще один элемент.

Из всех перечисленных утверждений верным является только одно — образец не содержит кальция.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Источник

Типы оптических спектров. Поглощение и испускание света атомами. Происхождение линейчатых спектров

Урок 48. Физика 9 класс

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Типы оптических спектров. Поглощение и испускание света атомами. Происхождение линейчатых спектров»

Мирозданье постигая, все познай, не отбирая:

Что — внутри, во внешнем сыщешь.

Так примите ж без оглядки

Мира внятные загадки.

В данной теме речь пойдёт о типах оптических спектров. Рассмотрим, как происходит поглощение и испускание света атомами. А также поговорим о происхождение линейчатых спектров.

В прошлой теме говорилось о дисперсии света. Дисперсия света — это зависимость показателя преломления среды и скорости света в нем от частоты световой волны.

В 1664–1668 гг. Исаак Ньютон провел серию опытов по изучению солнечного света и причин возникновения цветов с помощью стеклянной призмы. При разложении с помощью трёхгранной призмы белого света, т.е. света в ви­димом диапазоне, содержащего длины волн в ди­апазоне 380—760 нм, возникает радужная полос­ка, которую Ньютон назвал спектром.

В настоящее время для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма (которые использовал Ньютон), уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма. Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата.

Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии этой линзы располагается экран — матовое стекло или фотопластинка. Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр. Описанный прибор называется спектрографом.

Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называется спектроскопом.

Спектральный состав излучений различных веществ весьма различен. Но многочисленные наблюдения и фотографии спектров показывают, что все спектры можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа, которые определяются состоянием светящегося объекта.

В опыте Ньютона, при пропускании солнечного света через призму, получали спектр в виде сплошной полосы. В ней были представлены все цвета, плавно переходящие один в другой. Такой спектр называется сплошным или непрерывным спектром.

Сплошные спектры излучаются раскаленными твердыми и жидкими веществами, а также газами, находящимися под большим давлением. Это указывает на то, что вид непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излуча­ющих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия ато­мов друг с другом. Основную роль в излучении играет возбуждение ато­мов и молекул при хаотическом движении этих частиц, обусловленное высокой температурой. Солнце дает сплошной спектр, так как его обо­лочка состоит из плазмы высокой плотности.

Второй тип спектров — это линейчатые спектры.

Линейчатым называют спектр, состоящий из отдельных резко очерченных цветных линий, отделенных друг от друга широкими темными промежутками.

Например, если внести в пламя газовой горелки кусочек поваренной соли, то пламя окрасится в желтый цвет, а в спектре будут видны две близко расположенные желтые линии, характерные для спектра паров натрия.

Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину.

Такие спектры получаются от светящихся атомарных газов или паров. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.

Линейчатые спектры различных химических элементов отличаются цветом, положением и числом отдельных светящихся линий.

И последний тип спектров — это полосатые спектры.

Они состоят из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тес­но расположенных линий.

Полосатые спектры излучаются отдельными возбужденными молеку­лами (молекулярный газ). Излучение вызвано как электронными пере­ходами в атомах, так и колебательными движениями самих атомов в молекуле.

Все описанные выше спектры называются спектрами испускания, т.е. спектрами, получаемыми при разложении света, излученного самосветящимися телами.

Однако, кроме спектров испускания, существуют еще так называемые спектры поглощения.

Спектры поглощения получают, пропуская свет от источника, дающего сплошной спектр, через вещество, атомы и молекулы которого находятся в невозбужденном состоянии.

Спектры поглощения твердых и жидких тел обычно имеют вид широких темных полос, закрывающих часть сплошного спектра источника, а в случае атомарных газов или паров они состоят из отдельных черных линий, видимых на фоне сплошного спектра. Пропустив, например, свет от электрической лампы через сосуд с парами натрия, мы получим на сплошном спектре лампы две узкие черные линии в желтой области спектра как раз в том месте, где располагаются желтые линии в спектре испускания натрия. Другими словами, линии поглощения атомов натрия точно соответствуют его линиям испускания.

Совпадение частот линий испускания и поглощения можно наблюдать и в спектрах других элементов, например водорода и гелия.

В 1859 году на основе экспериментальных данных немецкий ученый Густав Роберт Кирхгоф сформулировал закон обратимости спектральных линий: линии поглощения соответствуют линиям испускания, т.е. атомы менее нагретого вещества поглощают из сплошного спектра как раз те частоты, которые они в других условиях испускают.

Спектр атомов каждого химического элемента уникален. Как не бывает двух людей с одинаковым дактилоскопическим узором, или окраской радужной оболочки глаз, или двух китов с одинаковой окраской хвостового плавника, так и не существует двух химических элементов, атомы которых излучали бы одинаковый набор спектральных линий.

Благодаря этому стало возможным появление метода спектрального анализа, разработанного в 1859 году Кирхгофом и его соотечественником немецким физиком Бунзеном. Спектральным анализом называют метод исследования химического состава различных веществ по их спектрам.

Анализ, проводимый по спектрам испускания, называют эмиссионным, а по спектрам поглощения — абсорбционным спектральным анализом.

В основе эмиссионного спектрального анализе лежат следующие факты:

1) Каждый элемент имеет свой спектр (отличается числом линий, их расположением и длинами волн), который не зависит от способов возбуждения.

2) Интенсивность спектральных линий зависит от концентрации элемента в данном веществе.

Для выполнения спектрального анализа вещества с неизвестным химическим составом необходимо осуществить две операции: заставить каким-то образом атомы этого вещества излучать свет с линейчатым спектром, затем разложить этот свет в спектр и определить длины волн наблюдаемых в нем линий. Сравнивая полученный линейчатый спектр с известными спектрами химических элементов таблицы Менделеева, можно определить, какие химические элементы имеются в составе исследуемого вещества. Путем сравнения интенсивности различных линий спектра можно определить и относительное содержание различных элементов в этом веществе.

Спектральный анализ выгодно отличается от химического анализа своей простотой, высокой чувствительностью, а также возможностью определять химический состав отдаленных тел, например звезд. Он используется для контроля состава вещества в металлургии, машиностроении и атомной индустрии. Этот метод применяется также в геологии, археологии, криминалистике и многих других сферах деятельности.В астрономии методом спектрального анализа определяют химический состав атмосфер планет и звезд, температуру звезд и магнитную индукцию их полей.

В процессе изучения и применения линейчатых спектров возникли различные вопросы, которые нельзя было объяснить в рамках классической механики Ньютона. Как, например, объяснить, почему атомы каждого химического элемента имеют свой строго индивидуальный набор спектральных линий? Почему совпадают линии излучения и поглощения в спектре данного элементы? Чем обусловлены различия в спектрах атомов разных элементов? Ответы на эти и многие другие вопросы удалось найти только в начале ХХ в. благодаря возникновению новой физической теории — квантовой механики. Одним из основоположником этой теории был датский физик Нильс Бор. Бор пришел к заключению, что свет излучается атомами вещества. В связи с этим в 1913 г. он сформулировал два постулата:

Первый постулат (его еще называют постулатом стационарных состояний) гласит, что атомная система может находиться только в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия, находясь на которых атом не излучает и не поглощает энергии.

Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. При движении по стационарным орбитам электроны не излучают электромагнитные волны, несмотря на ускоренное движение. В каждом стационарном состоянии атом обладает определенным квантовым значением энергии.

Второй постулат (или правило частот) гласит, что при переходе атома из одного стационарного состояния в другое излучается или поглощается квант энергии.

Атомы излучают и поглощают энергию дискретными порциями — квантами, значение которых равно разности энергии тех стационарных состояний, между которыми происходит данный переход.

Состояние атома, в котором все электроны находятся на стационарных орбитах с наименьшей возможной энергией, называется основным. Все другие состояния атома называются возбужденными. У атомов каждого химического элемента имеется свой характерный набор энергетических уровней. Поэтому переходу с более высокого энергетического уровня на более низкий будут соответствовать характерные линии в спектре испускания, отличные от линий в спектре другого элемента.

Совпадение линий излучения и поглощения в спектрах атомов данного химического элемента объясняется тем, что частоты волн, соответствующих этим линиям, а спектре, определяются одними и теми же энергетическими уровнями. Поэтому атомы могут поглощатьсвет только тех частот, которые они способны излучать.

– Все спектры испускания можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа, которые определяются состоянием светящегося объекта.

– Сплошной спектр. Сплошной спектр представляет собойсплошную полосу, в которой все цвета, плавно переходят один в другой.

– Линейчатый спектр. Линейчатым называют спектр, состоящий из отдельных резко очерчен­ных цветных линий, отделенных друг от друга широкими темными про­межутками.

– Полосатый спектр. Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками.

– Для изучения спектров использую специальные приборы, которые называются спектральными — это приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра.

– Из опыта следует, что атомы могут поглощать свет только тех частот, которые они способны излучать. Это утверждение носит название закона обратимости спектральных линий.

– Спектральный анализ — это метод исследования химического состава различных веществ по их спектрам.

– В процессе изучения и применения линейчатых спектров возникли различные вопросы, ответы на которые дал Нильс Бор в 1913 году, сформулировав два постулата.

– Первый постулат (постулат стационарных состояний) гласит, что атомная система может находиться только в особых стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия, находясь на которых атом не излучает и не поглощает энергии.

– Второй постулат (или правило частот) гласит, что при переходе атома из одного стационарного состояния в другое излучается или поглощается квант энергии.

Источник