Тема 4.3. Спектры

Тема 4.3. Спектры
1. Виды спектров. Спектральный анализ
Любое вещество, излучающее свет, характеризуется спектром излучения
- совокупностью частот (или длин волн), содержащихся в излучении этого
вещества. Вещество, поглощающее свет, характеризуется спектром
поглощения - совокупностью частот (или длин волн), поглощаемых данным
веществом при его облучении.
Различают три основных типа спектров испускания: непрерывные,
линейчатые и полосатые.
Непрерывные спектры. Известно, что при прохождении белого света
сквозь призму испускается непрерывная разноцветная полоса, охватывающая
цвета от фиолетового ( ≈ 400 нм) до красного ( ≈ 750 нм) (рис. 1, а). Между
отдельными цветами нет разрыва: фиолетовый переходит в синий, голубой — в
зеленый, зеленый — в желтый, желтый — в оранжевый, оранжевый — в
красный, поэтому такую полосу цветов называют непрерывным спектром.
Рис. 1.
1
При первоначальном исследовании спектра Солнца считалось, что он
непрерывный. Однако детальные исследования показали, что непрерывный
солнечный спектр пересекается темными линиями (рис. 1, б), называемыми
фраунгоферовыми линиями (в честь И. Фраунгофера — австрийского ученого,
открывшего их) (табл. 1).
Таблица 1.
Как показывает опыт, непрерывные (сплошные) спектры имеют нагретые
до высоких температур (раскаленные) твердые и жидкие вещества, а также
сжатые газы. Доказано, что характер непрерывного спектра определяется как
свойствами отдельных излучающих атомов, так и взаимодействием атомов друг
с другом.
Линейчатые спектры. Исследования показали, что пары любого
химического элемента, нагретого до высокой температуры, излучают свет,
узкий пучок которого разлагается призмой в спектр, состоящий из узких
спектральных линий на темном фоне. Спектральные линии имеют
определенную интенсивность и разделены темными промежутками. Подобные
спектры называют линейчатыми спектрами испускания. Линейчатым спектром
обладают также все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном)
состоянии при невысоких давлениях (когда атомы слабо взаимодействуют друг
с другом).
Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго
определенную (присущую только этому химическому элементу) совокупность
спектральных линий. На рис. 1 в качестве примера приведены линейчатые
спектры паров натрия (рис. 1, в) и атома водорода (рис. 1, д). С увеличением
плотности атомарного газа спектральные линии расширяются, что при сильном
сжатии газа (при значительном взаимодействии атомов друг с другом)
приводит к их перекрытию — в результате образуется непрерывный спектр.
2
Полосатые спектры. Из опытов следует, что спектр возбужденных
молекул разреженного газа состоит из отдельных полос, разделенных темными
промежутками. Эти спектры называют полосатыми. С помощью спектральных
приборов можно обнаружить, что каждая полоса — это совокупность
множества тесно расположенных спектральных линий. Так, полосатые спектры
характерны для газов многоатомных молекул (например, кислорода,
углекислого газа, водяного пара).
Спектры поглощения. Если свет от источника, дающего сплошной
спектр, предварительно пропустить через разреженный газ (или пар), то в
спектре появляются темные линии (или полосы), которые соответствуют
линиям (или полосам) спектра излучения этого же разреженного газа (или
пара). Эти темные линии на фоне непрерывного спектра представляют собой
линии поглощения, образующие линейчатый спектр поглощения.
Таким образом, положение темных линий в спектре поглощения вещества
в газообразном состоянии при данной температуре точно совпадает с
положением светлых линий в спектре его излучения. Ключ к объяснению этого
факта дал немецкий ученый Г. Кирхгоф, обнаруживший, что любой
химический элемент в газообразном состоянии поглощает свет точно таких же
длин волн, как и испускает. Так, в линейчатом спектре паров натрия
наблюдаются две желтые линии (см. рис. 1, в). Пары натрия поглощают свет
той же самой длины волны, как это следует из его спектра поглощения (рис. 1,
г).
Вернемся к рассмотрению фраунгоферовых линий солнечного спектра
(см. рис. 1, б). Сравнение спектров, представленных на рис. 1, б и в, показывает,
что светлые линии, испускаемые натрием, в солнечном свете отсутствуют.
Однако точно на их местах наблюдаются две темные линии (они обозначены D
). Отсюда следует вывод, что солнечный спектр действительно непрерывен, а
темные линии D возникают в результате того, что пары натрия, содержащиеся
во внешней атмосфере Солнца, поглощают желтые линии из его непрерывного
спектра. Сопоставляя фраунгоферовы линии солнечного спектра и линии
излучения различных химических элементов, можно определить, какие
элементы существуют в солнечной атмосфере в газообразном виде. С помощью
данного метода в атмосфере Солнца был открыт газообразный элемент гелий (в
переводе с греческого «Солнце»), существование которого впоследствии было
обнаружено и на Земле.
Для спектров горячих звезд (Т ≈ 105 К) характерны яркие линии
излучения гелия и азота, в спектрах наиболее холодных звезд (Т ≈ 3 ⋅ 103 К)
наблюдаются полосы поглощения различных молекулярных соединений.
Спектры звезд различаются интенсивностью и числом химических элементов и
соединений, входящих в состав их атмосфер, однако в атмосферах любых звезд
присутствуют водород и гелий.
Исследование линейчатого спектра вещества позволяет производить
спектральный анализ - метод определения химического состава и других
параметров вещества по спектрам излучения и поглощения.
3
В данном случае производят количественное сравнение содержания
элемента (элементов) в исследуемом образце путем сравнения интенсивности
его отдельных линий с интенсивностью линии эталонного химического
элемента.
Спектральный анализ активно используют при разведке полезных
ископаемых, для контроля составов сплавов, получения материалов с
заданными свойствами, определения химического состава и температуры
небесных тел, атмосфер планет и звезд и др.
2. Эффект Доплера для электромагнитных волн
Эффект Доплера для электромагнитных волн - это изменение частоты
(длины волны) электромагнитных волн, воспринимаемых приемником
(наблюдателем), вследствие взаимного движения приемника и источника.
Закономерности этого явления обосновываются специальной теорией
относительности, согласно которой при взаимном сближении источника и
наблюдателя со скоростью v вдоль соединяющей их прямой (при движении
источника света по лучу зрения относительно наблюдателя) частота колебаний,
воспринимаемых приемником:
=
v v0
1+ v
c >v ,
0
1− v
c
(1)
где v0 - частота колебания источника.
Таким образом, при сближении источника и приемника наблюдается
сдвиг в область более коротких длин волн ( λ < λ 0 ) — фиолетовое смещение.
При взаимном удалении источника и приемника (наблюдателя) вдоль
соединяющей их прямой знаки в числителе и знаменателе в выражении (1)
нужно поменять на противоположные
v v0
=
1− v
1+ v
c <v .
0
c
(2)
В данном случае наблюдается сдвиг в более длинноволновую область (
λ > λ 0 ) — красное смещение.
Эффект Доплера объясняет отличие спектров звезд от спектров,
полученных в лабораторных условиях: они смещены либо в сторону коротких,
либо в сторону длинных волн; это смещение обусловлено движением звезд
относительно земного наблюдателя. Наличие красного смещения для очень
удаленных звезд (галактик) позволяет по формуле (2) определять скорость их
удаления.
4
3. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения
Из рассмотрения шкалы электромагнитных волн следовало, что к
видимой области спектра примыкает с одной стороны инфракрасное излучение
( 7,6 ⋅ 10−7 м < λ < 10-3 м), а с другой — ультрафиолетовое излучение (10-8 м < X
< 3,8 ⋅ 10−7 м). Кроме того, детальное изучение призматического и солнечного
спектров подтвердило, что наряду с видимым излучением имеются невидимые
области спектра - инфракрасная, простирающаяся за красную часть видимого
спектра, и ультрафиолетовая, находящаяся перед фиолетовой частью видимого
спектра (рис. 2).
Рис. 2.
В 1799 г. английский астроном У.Гершель, помещая термометр за
красным концом солнечного спектра, обнаружил, что там температура выше,
чем в любой другой точке спектра. Он предположил, что причина этого —
невидимые тепловые лучи, приходящие от Солнца, подобно лучам,
испускаемым горячей печью или любым нагретым телом. Эти лучи были
названы инфракрасными лучами, в современном понимании —
инфракрасным излучением.
Источниками инфракрасного излучения являются все нагретые тела.
Различают искусственные источники — любые тела, температура которых
выше температуры окружающей среды (например, печь, батареи отопления,
электрическая лампочка, в которой ~95 % подводимой к ней энергии
преобразуется в инфракрасное излучение и только ~3,5 % — в видимое);
естественные источники — Солнце (~50 % энергии солнечного излучения
доходит до Земли в виде энергии инфракрасного излучения), звезды, планеты.
Инфракрасное излучение, как и излучение видимого диапазона, проходит,
не поглощаясь, через одни среды и поглощается другими. Однако здесь
проявляются его специфические свойства: например, стекло и вода, прозрачные
для видимого диапазона, непрозрачны для инфракрасного излучения; черное
стекло, эбонит — непрозрачные для видимого излучения, наоборот, прозрачны
для инфракрасного.
5
Инфракрасное излучение широко применяется в промышленности
(отопление помещений, сушка окрашенных поверхностей), в фотографии
(фотографирование можно осуществлять в любое время суток, а также
получать четкие изображения удаленных предметов), в военной технике
(приборы ночного видения), в сельском хозяйстве (в парниках инфракрасное
излучение Земли, отражаясь от них, вызывает добавочное нагревание почвы, т.
е. имеет место парниковый эффект).
В 1801 г. немецкий физик И. Риттер и независимо от него английский
ученый У. Волластон обнаружили, что в солнечном спектре за его фиолетовой
частью имеется невидимое излучение, оказывающее химические действие на
хлорид серебра. Это излучение было названо ультрафиолетовым.
Источники ультрафиолетового излучения бывают: искусственные —
накаленные до температур 3000 К и выше твердые тела, высокотемпературная
плазма; естественные — Солнце, звезды, туманности.
Ультрафиолетовое излучение обнаруживается по его химическому и
биологическому действию. Исследовать этот вид излучения удобно по его
действию на фотоматериалы, по способности возбуждать свечение веществ
(например, свечение экрана, покрытого люминофором) и вызывать
фотоэффект.
Ультрафиолетовое излучение оказывает сильное биологическое
воздействие на сетчатку глаза (поэтому в яркий солнечный день используют
защитные очки), кожу (может вызвать ожог) и т.д. Следует, однако, отметить,
что умеренные дозы ультрафиолета благотворно влияют на организм человека:
приводят к появлению загара (защитного пигмента), образованию витамина D ,
стимулированию ряда важнейших жизненных функций организма и
уничтожению болезнетворных бактерий.
Ультрафиолетовое излучение сильно поглощается различными
веществами, например обычным стеклом или атмосферой Земли. Так,
обнаружено, что поверхности Земли от Солнца достигает только
длинноволновая часть ультрафиолетового излучения ( λ ≈ 290 нм), в то время
как его коротковолновая часть поглощается в верхних слоях атмосферы слоем
озона. Прозрачными для ультрафиолетового излучения являются кварцевое
стекло, а также различные искусственные кристаллы. Именно они и
применяются в установках для исследования отражения и преломления
ультрафиолетового излучения.
Ультрафиолетовое излучение применяется для исследования электронной
структуры атомов, молекул, твердых тел (по спектрам излучения, поглощения и
отражения в ультрафиолетовой области), для создания газоразрядных ламп (в
них ультрафиолетовое излучение, падающее на люминофор, который
покрывает лампу, преобразуется в видимое), в криминалистике и
искусствоведении, в дефектоскопии, для стерилизации воздуха в
операционных, для обнаружения вредных примесей в атмосфере и т.д.
6