Реферат: Спектры и спектральный анализ в физике

МОСКОВСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭКОНОМИКИ,СТАТИСТИКИ И ИНФОРМАТИКИ

Предмет – КСЕ

ТЕМА:

<span TiffanyUkraine Light",«serif»;font-weight:normal; mso-bidi-font-weight:bold">Спектры и спектральный анализ в физике

ПОДГОТОВИЛСТУДЕНТ ГРУППЫ № ЗФ-46

<span Comic Sans MS"">САВЧЕНКОВИВАН СЕРГЕЕВИЧ

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

1. Виды   спектров

1.1.<span Times New Roman"">        

1.2.<span Times New Roman"">        

1.3.<span Times New Roman"">        

1.4.<span Times New Roman"">        

2. Спектральный анализ

3. Спектральные аппараты

4. Инфракрасная и ультрафиолетовая части спектра   

5. Спектр видимого света

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды спектров.

        Спектральный состав излучения различныхвеществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показываетопыт, можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.

Непрерывные спектры.

Солнечныйспектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что вспектре представлены все длины волн. В спектре нет разрывов, и на экранеспектрографа  можно видеть сплошнуюразноцветную полосу.

         Распределение энергии по частотам,т.е. спектральная плотность интенсивности излучения, для различных телразлично. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитныеволны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности от частотыимеет максимум при определенной частоте vmax. Энергия излучения, приходящаяся на очень малые (v→ 0) и очень большие (v→ ∞)частоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум спектральнойплотности излучения смещается в сторону коротких волн.

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

        Характер непрерывного спектра и самфакт 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 восновном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые спектры.

Внесемв бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного растворомобыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едваразличимого непрерывного спектра пламени вспыхнет ярко желтая линия. Эту желтуюлинию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул повареннойсоли в пламени. На спектроскопе также можно увидеть частокол цветных линийразличной яркости, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми.Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполнеопределенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральныхинтервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину.

            Линейчатые спектры дают всевещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. Вэтом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг сдругом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.

          Изолированные атомы данногохимического элемента излучают строго определенные длины волн.

          Обычно для наблюдения линейчатыхспектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газовогоразряда в трубке, наполненной исследуемым газом.

           Приувеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяютсяи, наконец при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомовстановится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывныйспектр. 

Полосатые спектры.

Полосатыйспектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощьюочень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить,что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень теснорасположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектрысоздаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг сдругом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатыхспектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газовогоразряда.

Спектры поглощения.

Всевещества, 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, соответствующие красному свету (<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">l

<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">»<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">8<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">·<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">1<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">0-5см), и поглощает всеостальные.
Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоненепрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболееинтенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретомсостоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения,образующие в совокупности спектр поглощения.

Спектральный анализ.

                  Линейчатые спектры играютособо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома.Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий.Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг кизучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность«заглянуть» внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается сатомной физикой.

              Главное свойство линейчатыхспектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектракакого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, носовершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любогохимического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов:они способны излучать строго-определенный набор длин волн.

               На этом основан спектральныйанализ — метод определения химического состававещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектрыимеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальцапомогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальностиспектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружитьданный элемент в составе сложного вещества если даже его масса не превышает 10-10.Это очень чувствительный метод.

                   Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так какяркость спектральных линий зависит не только от массывещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при низких температурахмногие спектральные линии вообще не появляются. Однакопри соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить иколичественный спектральный анализ.
В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров.С помощью спектрального анализабыли открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто давалиназвания в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий спектра. Рубидийдает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой».Это цвет основных линий спектра цезия.

               Именно с помощью спектрального анализа узнали химическийсостав 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 анализявляется основным методом контроля состава вещества в металлургии,машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектральногоанализа определяют химический состав руд и минералов.
                Состав сложных, главнымобразом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам.
               Спектральныйанализ можно производить не только по спектрамиспускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектреСолнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Яркосветящаяся поверхность Солнца — фотосфера — дает непрерывный спектр. Солнечнаяатмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлениюлиний поглощения на фоне непрерывного спектра 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 спектральным анализом понимают нетолько определение химического состава звезд, газовых облаков и т. д., но инахождение по спектрам многих других физических характеристик этих объектов:температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции.

Спектральныеаппараты

              Для точного исследования спектровтакие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, ипризма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е.приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытияотдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральнымиаппаратами. Чаще всего основной частью спектральногоаппарата является призма или дифракционная решетка.
               Рассмотрим схемуустройства призменного спектральногоаппарата. Исследуемое излучение поступает вначале в часть прибора, называемуюколлиматором. Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которойимеется ширма с узкой щелью, а на другом — собирающая линза. Щель находится нафокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающийна линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на призму.
               Так как разным частотамсоответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходятпараллельные пучки, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу. Нафокусном расстоянии этой линзы располагается экран — матовое стекло илифотопластинка. Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместоодного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте(узкому спектральному интервалу) соответствует своеизображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.
               Описанный приборназывается спектрографом. Если вместо второй линзы и экрана используетсязрительная труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называетсяспектроскопом. Призмы и другие детали спектральныхаппаратов необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются итакие прозрачные материалы, как кварц, каменная соль и др.

Инфракрасная и ультрафиолетовая части спектра

            В начале XIXв. было обнаружено, чтовыше (по длине волны) красной части спектра видимого света находится невидимыйглазом инфракрасный участок спектра, а ниже фиолетовой части спектравидимого света находится невидимый ультрафиолетовый участок спектра.

           Длины волны инфракрасного излучениязаключены в пределах от

3<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">·

10-4 до 7,6<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">·10-7 м. Наиболее характернымсвойством этого излучения является его тепловое действие. Источникоминфракрасного является любое тело. Интенсивность этого излучения тем выше, чембольше температура тела. Инфракрасное излучение исследуют с помощью термопар иболометров. На использование инфракрасного излучения основан принцип действияприборов ночного видения.

           Длины волн ультрафиолетовогоизлучения заключены в пределах от

4<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">·

10-7 до 6<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">·10-9 м. Наиболее характернымсвойством этого излучения является его химическое и биологическое действие.Ультрафиолетовое излучение вызывает явление фотоэффекта, свечение ряда веществ(флуоресценцию и фосфоресценцию). Оно убивает болезнетворных микробов,вызывает появление загара и т.д.

          В науке инфракрасное иультрафиолетовое излучения используются для исследования молекул и атомоввещества. 

Спектр видимого света

Наэкране за преломляющей призмой монохроматические цвета в спектре располагаются в следующем порядке:красный (имеющий наибольшую среди волн видимого света длину волны <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">l

к=7,6<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">·10-7 м и наименьший показательпреломления), оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (имеющийнаименьшую в видимом спектре длину волны <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">lф=4<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">·10-7 м и наибольший показательпреломления).Список используемой литературы

1. ФИЗИКА в помощь поступающим в ВУЗЫ

    Р.А. Мустафаев, В.Г. Кривцов

    (§105. Дисперсиясвета. Спектральный анализ. Стр. 406-408)

2. Учебник для 11 класса средней школы ФИЗИКА     Г.Я. Мякишев,Б.Б. Буховцев

    (Глава 9.Излучение и спектры. Стр. 193-199 )

 

еще рефераты
Еще работы по физике