Реферат: Спектры. Спектральный анализ

  Конспект.

    Спектры, спектральный анализ.<span TiffanyUkraine Light",«serif»">

Источник света долженпотреблять  энергию. Свет — этоэлектромагнитные  волны с длиной волны4*10-7 — 8*10-7 м. Электромагнитные  волны излучаются при ускоренном  движении заряженных частиц. Эти заряженныечастицы входят в состав атомов. Но, не зная, как устроен атом, ничегодостоверного о механизме  излучениясказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света так же, как в струнерояля нет звука. Подобно струне, начинающей звучать лишь после удара молоточка, атомы рождают свет только после ихвозбуждения.

Для того чтобы атом начализлучать,  ему необходимо передатьэнергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечениявещества необходим приток энергии к его атомам извне.

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

Тепловым источникомизлучения является Солнце, а также обычная лампа накаливания. Лампа оченьудобный, но малоэкономичный источник. Лишь примерно 12% всей энергии, выделяемой в лампе электрическим током, преобразуется в энергию света.Тепловым  источником света являетсяпламя.  Крупинки сажи раскаляются  за счет энергии, выделяющейся  при сгорании топлива, и испускают свет.

Электролюминесценция. Энергия, необходимая атомам для излучения света, можетзаимствоваться и из нетепловых источников. При разряде в газах электрическоеполе сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроныиспытывают  соударения с атомами.  Часть кинетической энергии электронов идет навозбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световыхволн.  Благодаря этому разряд в газе сопровождаетсясвечением. Это и есть электролюминесценция. 

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

Хемилюминесценция. При некоторых  химическихреакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственнорасходуется  на излучение света. Источниксвета  остается холодным (он имееттемпературу окружающей среды). Это явление называется хемиолюминесценкией. 

Фотолюминесценция. Падающий на вещество свет частично отражается,  а частично поглощается. Энергия поглощаемогосвета в большинстве случаев вызывает лишь нагревание тел. Однако некоторые теласами начинают светиться непосредственно под действием падающего  на негоизлучения. Это и есть фотолюминесценция. Свет возбуждает  атомы вещества (увеличивает  их внутреннюю энергию), после этого онивысвечиваются сами. Например, светящиеся краски, которыми покрывают многиеелочные игрушки, излучают свет после их облучения.

Излучаемый прифотолюминесценции  свет имеет, какправило, большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение. Это можнонаблюдать экспериментально. Если направить на сосуд с флюоресцеитом(органический краситель) световой  пучок,пропущенный через фиолетовый светофильтр, то эта жидкость начинает светитьсязелено — желтым  светом, т. е. светомбольшей  длины волны, чем уфиолетового  света.

Явление фотолюминесценциишироко  используется в лампахдневного  света. Советский физик С. И.Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность разрядной  трубки веществами, способными  ярко светиться под действием коротковолновогоизлучения газового  разряда. Лампыдневного света примерно в три-четыре раза экономичнее  обычных ламп накаливания.

Перечислены основные видыизлучений  и источники, их создающие.Самые распространенные источники излучения — тепловые.

Распределение энергии в спектре. Ни один из источников не дает монохроматическогосвета, т. е. света  строго определеннойдлины волны.  В этом нас убеждают опытыпо разложению света в спектр с помощью призмы, а также опыты по интерференции и дифракции.

Та энергия, которую несет ссобой свет от источника, определенным образом распределена по волнам всех длин, входящим в состав световогопучка. Можно также  сказать, что энергияраспределена  по частотам, так как междудлиной волны и частотой существует простая связь: <span Times New Roman""><span Times New Roman"">ђ

v = c. 

Плотность потокаэлектромагнитного  излучения, илиинтенсивность /, определяется  энергией&W, приходящейся  на все частоты. Дляхарактеристики  распределения излученияпо частотам нужно ввести новую величину: интенсивность, приходящуюся  на единичный интервал частот.  Эту величину называют спектральной  плотностью интенсивности излучения. 

Спектральную плотностьпотока излучения можно найти экспериментально. Для этого надо с помощью  призмыполучить спектр излучения,  например,электрической дуги, и измерить плотность потока излучения, приходящегося нанебольшие  спектральные интервалы ширинойAv.

Полагаться на глаз приоценке распределения  энергии нельзя.Глаз обладает  избирательнойчувствительностью  к свету: максимум егочувствительности  лежит в желто-зеленойобласти спектра. Лучше всего воспользоваться свойством черного тела почти полностьюпоглощать  свет всех длин волн. При этомэнергия излучения (т. е. света) вызывает нагревание тела. Поэтому достаточноизмерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощенной в единицувремени энергии.

Обычный термометр имеетслишком  малую чувствительность для того,чтобы его можно было с успехом использовать в таких опытах. Нужны более чувствительные приборы  для измерения температуры. Можно взятьэлектрический термометр, в котором  чувствительныйэлемент выполнен  в виде тонкойметаллической  пластины. Эту пластинунадо покрыть тонким слоем сажи, почти полностью поглощающей свет любой  длины волны.

Чувствительную к нагреваниюпластину прибора следует поместить в то или иное место спектра. Всему видимомуспектру длиной l от красных лучей до фиолетовых соответствует интервал частот  отvкр до уф. Ширине соответствует малый  интервал Av. По нагреванию черной пластиныприбора можно судить о плотности потока излучения,  приходящегося на интервал частот Av.Перемещая пластину вдоль спектра, мы обнаружим, что большая часть энергииприходится на красную часть спектра, а не на желто-зеленую, как кажется наглаз.

По результатам этих опытовможно  построить кривую зависимостиспектральной плотности интенсивности излучения от частоты. Спектральная плотность интенсивности излучения определяется по температуре пластины,а частоту нетрудно  найти, если используемыйдля разложения света прибор проградуирован, т. е. если известно, какой частотесоответствует данный участок  спектра.

Откладывая по оси абсциссзначения  частот, соответствующихсерединам  интервалов Av, а по осиординат спектральную плотность интенсивности излучения, мы получим ряд точек, через которые можно провести плавнуюкривую. Эта кривая дает наглядное представление о распределении энергии и видимой части спектра электрической  дуги.

Спектральные аппараты. Для точного исследования спектров такие  простые приспособления, как узкая щель,ограничивающая световой  пучок, и призма,уже недостаточны.  Необходимы приборы,дающие  четкий спектр, т. е. приборы,хорошо разделяющие волны различной  длиныи не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называютспектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппаратаявляется  призма или дифракционная решетка. 

Рассмотрим схему устройствапризменного спектрального аппарата. Исследуемое излучение  поступает вначале в часть прибора, называемуюколлиматором. Коллиматор представляет собой трубу,  на одном конце которой имеется ширма с узкойщелью, а на другом -  собирающая линза.Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световойпучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным  пучком и падает на призму. 

Так как разным частотамсоответствуют  различные показателипреломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие  по направлению. Они падают на линзу. Нафокусном расстоянии  этой линзырасполагается экран — матовое стекло или фотопластинка.  Линза фокусирует параллельные пучки лучей наэкране,  и вместо одного изображения щелиполучается целый ряд изображений.  Каждойчастоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Всеэти изображения вместе и образуют спектр.

Описанный прибор называетсяспектрографом. Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная  труба для визуального наблюдения спектров, топрибор называется  спектроскопом. Призмыи другие детали спектральных аппаратов необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются  и такие прозрачные материалы,  как кварц, каменная соль и др.

Вы познакомились с новойвеличиной -  спектральной плотностьюинтенсивности излучения. Узнали, что находится внутри кожуха спектрального  аппарата.

Спектральный составизлучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, какпоказывает опыт, можно разделить на три типа.

Непрерывные спектры. Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает,что в спектре представлены  волны всехдлин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошнуюразноцветную  полосу.

Распределение энергии почастотам,  т. е. Спектральнаяплотность  интенсивности излучения, дляразличных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучаетэлектромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотностиинтенсивности  излучения от частоты имеетмаксимум мри определенной частоте. Энергия излучения,  приходящаяся на очень малые и очень большиечастоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается всторону коротких волн.

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

Характер непрерывногоспектра и сам факт его существования определяются не только свойствамиотдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействияатомов друг с другом.

Непрерывный спектр даеттакже  высокотемпературная плазма.Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

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

При наблюдении пламени вспектроскоп  на фоне едва различимогонепрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия. Эту желтую линию даютпары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. Каждый из них — это частокол  цветных линий различной яркости,  разделенных широкими темными  полосами. Такие спектры называютсялинейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает светтолько вполне  определенных длин волн(точнее, в определенных очень узких спектральных  интервалах). Каждая линия имеет конечнуюширину.

Линейчатые спектры дают всевещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случаесвет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют  друг с другом. Это самый  фундаментальный, основной тип спектров.

Изолированные атомы излучаютстрого определенные длины волн. Обычно для наблюдения линейчатых  спектров используют свечение паров вещества впламени или свечение  газового разряда втрубке, наполненной исследуемым газом.

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

 Полосатыеспектры. Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темнымипромежутками.  С помощью очень хорошегоспектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого  числаочень тесно расположенных  линий. Вотличие от линейчатых  спектров полосатыеспектры  создаются не атомами, амолекулами,  не связанными или слабосвязанными друг с другом.

Для наблюдения молекулярныхспектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени  или свечение газового разряда.

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

Если пропускать белый светсквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источникапоявляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз техдлин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии нафоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупностиспектр поглощения.

Существуют непрерывные,линейчатые  и полосатые спектрыизлучения  и столько же видовспектров  поглощения.

Линейчатые спектры играютособо  важную роль, потому что ихструктура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими  внешних воздействий. Поэтому,  знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самымделаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученыеполучили возможность «заглянуть»  внутрьатома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

Главное свойство линейчатыхспектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектракакого-либо вещества зависят  только отсвойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждениясвечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: ониспособны излучать строго-определенный набор длин волн.

На этом основан спектральныйанализ — метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев  у людей линейчатые спектры имеют неповторимуюиндивидуальность.  Неповторимость узоровна коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря  индивидуальности спектров имеется возможностьопределить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можнообнаружить  данный элемент в составесложного вещества. Это очень чувствительный метод.

Количественный анализсостава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных ли­нийзависит 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 проводитьи количественный спектральный анализ.

В настоящее время определеныспектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спект­ральногоанализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементамчасто 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 спектраль­ногоанализа узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесьвообще не­возможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых хими­ческихэлементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначальнооткрыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элементанапоминает об истории его откры­тия: слово гелий означает в пере­воде«солнечный».

Благодаря сравнительнойпросто­те и универсальности спектраль­ный анализ является основным ме­тодомконтроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атом­ной индустрии. Спомощью спект­рального анализа определяют химический  состав руд и минералов.

Состав сложных, главнымобразом органических, смесей анализи­руется по их молекулярным спект­рам.

Спектральный анализ можнопроизводить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения.Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позво­ляют исследоватьхимический состав этих небесных тел. Ярко светя­щаяся поверхность Солнца — фо­тосфера- дает непрерывный спектр. Солнечная атмосфера поглощает из­бирательно свет отфотосферы, что приводит к появлению линий погло­щения на фоне непрерывногоспект­ра фотосферы.

Но и сама атмосфера Солнцаизлучает свет. Во время солнечных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной,происходит обраще­ние линий спектра. На месте ли­ний поглощения в солнечномспект­ре вспыхивают линии излучения.

В астрофизике под спектраль­ныманализом понимают не только определение химического состава звезд, газовыхоблаков и т. д., но и нахождение по спектрам многих других физическиххарактеристик этих объектов: температуры, давле­ния, скорости движения, магнитнойиндукции.

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

<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">