Презентация к уроку физики в 11 классе "Спектры и спектральные аппараты"

Спектры и спектральные аппараты

Федоров А.М. – учитель физики Кюкяйской СОШ Сунтарского улуса Республики Саха

Распределение энергии в спектре

Ни один из источников не дает монохроматического света, т. е. света строго определенной длины волны. В этом нас убеждают опыты по разложению света в спектр с помощью призмы, а также опыты по интерференции и дифракции.

Та энергия, которую несет с собой свет от источника, определенным образом распределена по волнам всех длин волн (или частотам), входящим в состав светового пучка. Плотность потока электромагнитного излучения, или интенсивность I, как известно из § 50, определяется энергией ΔW, приходящейся на все частоты. Для характеристики распределения излучения по частотам нужно ввести новую величину: интенсивность, приходящуюся на единичный интервал частот. Эту величину называют спектральной плотностью потока излучения. Обозначим ее через I(ν). Тогда интенсивность излучения, приходящаяся на небольшой спектральный интервал Δv, равна I(ν)Δν. Суммируя подобные выражения по всем частотам спектра, мы получим плотность потока излучения I.
Спектральную плотность потока излучения на разных частотах можно найти экспериментально. Для этого надо с помощью призмы получить спектр излучения, например электрической дуги, и измерить плотность потока излучения, приходящегося на небольшие спектральные интервалы шириной Δν.

Кривая зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты

Зрительно оценить (приблизительно) распределение энергии нельзя, так как глаз обладает избирательной чувствительностью к свету: максимум его чувствительности лежит в желто-зеленой области спектра. Лучше всего воспользоваться свойством очень черного тела почти полностью поглощать свет всех длин волн. При этом энергия излучения (т. е. света) вызывает нагревание тела. Поэтому достаточно измерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощенной в единицу времени энергии.

По результатам таких опытов можно построить кривую зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты (рис. 10.1). Эта кривая даст наглядное представление о распределении энергии в видимой части спектра электрической дуги.

Спектральные аппараты(спектрограф)

Для точных исследований спектров необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие (или почти не допускающие) перекрывания отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Их основной частью является призма или дифракционная решетка.

Рассмотрим, например, схему устройства призменного спектрального аппарата (рис. 10.2). Исследуемое излучение поступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом — собирающая линза L1. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на призму Р.

Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу L2. На фокусном расстоянии от этой линзы располагается экран — матовое стекло или фотопластинка. Линза L2 фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (точнее, узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.

Спектроскоп

Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называется спектроскопом. Призмы и другие детали спектральных аппаратов изготовляются не только из стекла. Вместо стекла применяют и такие прозрачные материалы, как кварц, каменная соль и др.

Различные типы спектроскопов имеют некоторые особенности конструкции, однако их принцип действия ничем не отличается. В устройство любого спектрального прибора входят следующие элементы:
Коллиматор с щелью.
Призма или дифракционная решетка.
Зрительная трубка.

Спектроскопы подразделяются по способу регистрации спектра на:
Спектрографы. Предназначен для фотографической фиксации спектра.
Спектрометры. С его помощью получают спектры и осуществляется измерение спектральных характеристик.
Спектрофотометры. Их конструкция предусматривает фотометрическую насадку, с помощью которой происходит измерение коэффициента пропускания исследуемого вещества.

Непрерывные спектры

Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены волны всех длин волн. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу (см. рис. V, 1 на цветной вклейке).

Распределение энергии по частотам, т. е. спектральная плотность интенсивности излучения, для разных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты имеет максимум при определенной частоте vmax (рис. 10.3). Энергия излучения, приходящаяся на очень малые (ν → 0) и очень большие (ν → ∞) частоты, ничтожно мала. При повышении температуры тела максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.

Сплошные спектры

Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.

Характер непрерывного спектра и сам факт его существования не только определяются свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновениях электронов с ионами.

Линейчатые спектры

Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченный раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп увидим, как на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия (см. рис. V, 2 на цветной вклейке). Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. На цветной вклейке приведены также спектры водорода и гелия.
Каждый из спектров — это частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах).
На рисунке 10.4 показано примерное распределение спектральной плотности интенсивности излучения в линейчатом спектре. Каждая линия имеет конечную ширину.

Линейчатые спектры

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.
Изолированные атомы излучают свет строго определенных длин волн.
Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.

При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.

Полосатые спектры

Полосатый спектр состоит 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.

В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры образуются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.

Спектр угольной дуги (полосы молекул CN и C2)

Спектр испускания паров молекулы йода

Спектр молекулы Н2

?

Спектры поглощения

Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны. Энергия этих волн определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету (λ ≈ 8 • 10-5 см), и поглощает все остальные.

Если пропускать белый свет сквозь холодный, не излучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии (см. рис. V, 5—8 на цветной вклейке). Газ поглощает наиболее интенсивно свет именно тех длин волн, которые он сам испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и столько же видов спектров поглощения.

Спектральный анализ

Линейчатые спектры имеют большое значение, потому что их структура тесно связана со строением атома.
Главное свойство линейчатых спектров в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго определенный набор длин волн.

На этом и основан спектральный анализ — метод определения химического состава вещества по его спектру.
С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10-10 г. Это очень чувствительный метод.
Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при низких температурах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный (а не только качественный) спектральный анализ.

Таблица спектров

В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий их спектров. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой». Это цвет основных линий спектра цезия.
Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий сначала открыли на Солнце и лишь затем в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об истории его открытия: слово гелий означает «солнечный».

Спектральный анализ металлов и сплавов

Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.

Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам.
Спектральный анализ можно проводить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверхность Солнца — фотосфера — дает непрерывный спектр. Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.

Спектры поглощения

Но и сама атмосфера Солнца излучает свет. Во время солнечных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной, происходит «обращение» линий спектра. На месте линий поглощения в солнечном спектре вспыхивают линии излучения.

В астрофизике под спектральным анализом понимают не только определение химического состава звезд, газовых облаков и т. д., но и методы нахождения по спектрам многих других физических характеристик этих объектов: температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции.
Разработано много способов определения состава окружающих нас тел. Но состав звезд и галактик можно узнать только с помощью спектрального анализа.

Упражнения

1. Химики обнаружили, что если в пламя газовой горелки (цвет пламени синий) бросить щепотку поваренной соли (NaCl), то цвет пламени на время приобретёт яркую желтую окраску. Какой метод был разработан благодаря этому опыту?

2. На рисунках приведены спектры излучения газов А и В и газовой смеси Б. Что можно сказать на основании анализа этих участков спектров о смеси газов?





3. На рисунке представлена диаграмма энергетических уровней атома. Какой из отмеченных стрелками переходов между энергетическими уровнями сопровождается испусканием кванта минимальной частоты?

Домашнее задание

1. Известно, что криптон имеет в видимой части спектра излучения линии, соответствующие длинам волн 557 нм и 587 нм. В спектре излучения неизвестного газа обнаружены только две линии, соответствующие 557 нм и 587 нм. Что можно сказать о неизвестном газе?

2. На рисунке приведены спектр поглощения неизвестного газа (в середине), спектры поглощения атомов водорода (вверху) и гелия (внизу). Что можно сказать о химическом составе газа?





3. На рисунке представлена диаграмма энергетических уровней атома. Какой из отмеченных стрелками переходов между энергетическими уровнями сопровождается поглощением кванта минимальной длины волны?

Использованные ссылки

http://life.mosmetod.ru/files/image/educate/world_around_us/blue_sky/rrrrrrrrrrr.jpg
https://www.iskroline.ru/pics/analysis/terminy/spectroscope.png
https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQPpfOqgfmB7o9Um1JrxLmymbjmYA_hVUUU8Q&usqp=CAU
https://znaesh-kak.com/wp-content/uploads/2021/06/1-1-768x383.jpg
https://pandia.ru/text/80/433/images/img3_43.jpg
https://light-fizika.ru/images/images/11klass/Optika/0211135261.jpg
https://proza.ru/pics/2019/03/31/349.jpg
http://www.tuev-dieks.com/services/technical-diagnosis/methods-of-survey/spektralnyij-analiz-metallov/
https://s1.slide-share.ru/s_slide/b7349485552c33a39e8e478ba7f7dee1/aa2917e4-ed46-4736-8131-78945ec8e2a8.jpeg
https://spacegid.com/wp-content/uploads/2015/08/Primer-lineynogo-spektra-pogloshheniya.jpg
https://fizikaedu.ru/2020/02/06/samostoyatelnaya-rabota-linejchatye-spektry-11-klass/