Спектры. Спектральный анализ

	Загрузить архив:
	Файл: spectr.zip (17kb [zip], Скачиваний: 90) скачать

Конспект.

    Спектры, спектральный анализ.

Источник света должен потреблятьэнергию. Свет - это электромагнитныеволны с длиной волны 4*10^-7 - 8*10^-7 м. Электромагнитныеволны излучаются при ускоренномдвижении заряженных частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов. Но, не зная, как устроен атом, ничего достоверного о механизмеизлучения сказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света так же, как в струне рояля нет звука. Подобно струне, начинающей  звучать лишь после удара молоточка, атомы рождают свет только после их возбуждения.

Для того чтобы атом начал излучать,ему необходимо передать энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Тепловое излучение. Наиболее простой и распространенный вид излучения - тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов или (молекул) излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы. При столкновении быстрых атомов (молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет.

Тепловым источником излучения является Солнце, а также обычная лампа накаливания. Лампа очень удобный, но малоэкономичный источник.  Лишь примерно 12% всей энергии,  выделяемой в лампе электрическим током, преобразуется в энергию света. Тепловымисточником света является пламя.Крупинки сажи раскаляютсяза счет энергии, выделяющейсяпри сгорании топлива, и испускают свет.

Электролюминесценция. Энергия, необходимая атомам для излучения света, может заимствоваться и из нетепловых источников. При разряде в газах электрическое поле сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроны испытываютсоударения с атомами.Часть кинетической энергии электронов идет на возбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн.Благодаря этому разряд в газе сопровождается свечением. Это и есть электролюминесценция. 

Катодолюминесценция. Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкойих электронами, называют катодолюминисенцией. Благодаря катодолюминесценции светятся экраны  электронно-лучевых трубок телевизоров.

Хемилюминесценция. При некоторыххимических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуетсяна излучение света. Источник светаостается холодным (он имеет температуру окружающей среды). Это явление называется хемиолюминесценкией.

Фотолюминесценция. Падающий на вещество свет частично отражается,а частично поглощается. Энергия поглощаемого света в большинстве случаев вызывает лишь нагревание тел. Однако некоторые тела сами начинают светиться непосредственно  под действием падающегона него излучения. Это и есть фотолюминесценция. Свет возбуждаетатомы вещества (увеличиваетих внутреннюю энергию), после этого они высвечиваются сами. Например, светящиеся краски, которыми покрывают многие елочные игрушки, излучают свет после их облучения.

Излучаемый при фотолюминесценциисвет имеет, как правило, большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение. Это можно наблюдать экспериментально. Если направить на сосуд с флюоресцеитом (органический краситель) световойпучок, пропущенный через фиолетовый светофильтр, то эта жидкость начинает светиться зелено - желтымсветом, т. е. светом большейдлины волны, чем у фиолетовогосвета.

Явление фотолюминесценции широкоиспользуется в лампах дневногосвета. Советский физик С. И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность разряднойтрубки веществами, способнымиярко светиться под действием коротковолнового излучения газовогоразряда. Лампы дневного света примерно в три-четыре раза экономичнееобычных ламп накаливания.

Перечислены основные виды излученийи источники, их создающие. Самые распространенные источники излучения - тепловые.

Распределение энергии в спектре. Ни один из источников не дает монохроматического света, т. е. светастрого 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, входящим в состав светового пучка. Можно такжесказать, что энергия распределенапо частотам, так как между длиной волны и частотой существует простая связь: ђv = c.

Плотность потока электромагнитногоизлучения, или интенсивность /, определяетсяэнергией &W, приходящейсяна все частоты. Для характеристикираспределения излучения по частотам нужно ввести новую величину: интенсивность, приходящуюсяна единичный интервал частот.Эту величину называют спектральнойплотностью интенсивности излучения.

Спектральную плотность потока излучения можно найти экспериментально.  Для этого надо с помощьюпризмы получить спектр излучения,например, электрической дуги, и измерить плотность потока излучения, приходящегося на небольшиеспектральные интервалы шириной Av.

Полагаться на глаз при оценке распределенияэнергии нельзя. Глаз обладаетизбирательной чувствительностьюк свету: максимум его чувствительностилежит в желто-зеленой области спектра. Лучше всего воспользоваться свойством черного тела почти полностью поглощатьсвет 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.

Обычный термометр имеет слишкоммалую чувствительность для того, чтобы его можно было с успехом  использовать в таких опытах. Нужны более чувствительные приборыдля измерения температуры. Можно взять электрический термометр, в которомчувствительный элемент выполненв виде тонкой металлическойпластины. Эту пластину надо покрыть тонким слоем сажи, почти полностью поглощающей свет любойдлины волны.

Чувствительную к нагреванию пластину прибора следует поместить в то или иное место спектра. Всему видимому спектру длиной l от красных лучей до фиолетовых  соответствует интервал частотот v_кр до у_ф. Ширине соответствует малыйинтервал Av. По нагреванию черной пластины прибора можно судить о плотности потока излучения,приходящегося на интервал частот Av. Перемещая пластину вдоль спектра, мы обнаружим, что большая часть энергии приходится на красную часть спектра, а не на желто-зеленую, как кажется на глаз.

По результатам этих опытов можнопостроить кривую зависимости спектральной плотности интенсивности  излучения от частоты. Спектральная  плотность интенсивности излучения определяется по температуре пластины, а частоту нетруднонайти, если используемый для разложения света прибор проградуирован, т. е. если известно, какой частоте соответствует данный участокспектра.

Откладывая по оси абсцисс значениячастот, соответствующих серединаминтервалов Av, а по оси ординат спектральную плотность интенсивности  излучения, мы получим ряд точек, через которые можно провести плавную кривую. Эта кривая дает наглядное представление  о распределении энергии и видимой части спектра электрическойдуги.

Спектральные аппараты. Для точного исследования спектров такиепростые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световойпучок, и призма, уже недостаточны.Необходимы приборы, дающиечеткий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различнойдлины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата являетсяпризма или дифракционная решетка.

Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата. Исследуемое излучениепоступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу,на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом -собирающая линза. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельнымпучком и падает на призму.

Так как разным частотам соответствуютразличные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающиепо направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянииэтой 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 зрительнаятруба для визуального наблюдения спектров, то прибор называетсяспектроскопом. Призмы и другие детали спектральных аппаратов  необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяютсяи такие прозрачные материалы,как кварц, каменная соль и др.

Вы познакомились с новой величиной -спектральной плотностью интенсивности излучения. Узнали, что находится внутри кожуха спектральногоаппарата.

Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа.

Непрерывные спектры. Солнечный  спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представленыволны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветнуюполосу.

Распределение энергии по частотам,т. е. Спектральная плотностьинтенсивности излучения, для различных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности интенсивностиизлучения от частоты имеет максимум мри определенной частоте. Энергия излучения,приходящаяся на очень малые и очень большие частоты, ничтожно мала. При повышении  температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.

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

Характер 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.

Непрерывный спектр дает такжевысокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются  плазмой в основном при столкновении  электронов с ионами.

Линейчатые спектры. Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором  обыкновенной поваренной соли.

При наблюдении пламени в спектроскопна фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении  молекул поваренной соли в пламени. Каждый из них - это частоколцветных линий различной яркости,разделенных широкими темнымиполосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполнеопределенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральныхинтервалах). Каждая линия имеет конечную ширину.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуютдруг с другом. Это самыйфундаментальный, основной тип спектров.

Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн. Обычно для наблюдения линейчатыхспектров используют свечение паров вещества в пламени или свечениегазового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.

При увеличении плотности атомарногогаза отдельные спектральныелинии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становитсясущественным, эти линии перекрываютдруг друга, образуя непрерывныйспектр.

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 большогочисла очень тесно расположенныхлиний. В отличие от линейчатыхспектров полосатые спектрысоздаются не атомами, а молекулами,не связанными или слабо связанными друг с другом.

Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения  линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламениили свечение газового разряда.

Спектры поглощения. Все вещества,  атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускаетволны, соответствующие красному свету, и поглощает все остальные.

Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Существуют непрерывные, линейчатыеи полосатые спектры излученияи столько же видов спектровпоглощения.

Линейчатые спектры играют особоважную роль, потому что их структура прямо связана со строением  атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающимивнешних воздействий. Поэтому,знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность «заглянуть»внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависяттолько 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 основан спектральный анализ - метод определения химического  состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцеву людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность.Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаряиндивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружитьданный элемент в составе сложного вещества. 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 спектральный анализ.

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 спект­ра. 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 первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об истории его откры­тия: слово гелий означает в пере­воде «солнечный».

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

Состав сложных, главным образом органических, смесей анализи­руется по их молекулярным спект­рам.

Спектральный анализ можно производить 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.

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 нахождение по спектрам многих других физических характеристик этих объектов: температуры, давле­ния, скорости движения, магнитной индукции.

Важно знать, из чего состоят окружающие нас тела. Изобрете­но много способов определения их состава. Но состав звезд и галактик можно узнать только с помощью спектрального анализа.