Оптический спектр


Спектр оптического излученияОптическая область спектра излучения делится на ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную (рис. 1).

Ультрафиолетовое излучение — это оптическое излучение в пределах длин волн от 100 нм до 380 нм. Ультрафиолетовое излучение разделяется на три группы:

А — от 315 нм до 380 нм;

В — 280-315нм;

С — 100- 280 нм.

Видимое излучение — излучение, которое попадая на сетчатку глаза, вызывает зрительное ощущение и лежит в диапазоне волн от 380 нм до 780 нм.

Инфракрасное излучение — оптическое излучение в пределах длин волн от 780 нм до 106 нм. Инфракрасное излучение делится на три труппы:

А — 800 -1400 нм (короткие волны);

В — 1400 — 3000 нм (средние волны);

С — 3000 -10000 нм (длинные волны).


Спектр электромагнитного излучения

Рис.1. Спектр электромагнитного излучения

Спектр излучения — совокупность излучений расположенных в ряд в порядке изменения длины волны (рис. 1).

Источники излучения могут иметь сплошной, полосной, линейный или спектр, который имеет сплошную и линейную составляющие.

Сплошной спектр — спектр, у которого монохроматические составляющие заполняют без разрывов интервал длин волн, в пределах которого проходит излучение (рис. 1.2).

Сплошной спектр излучения

 

Рис.2. Сплошной спектр излучения

Полосатый спектр — монохроматические составляющие которого образуют дискретные группы (полосы), которые состоят из многих тесно размещенных линий (рис. 1.3).

Полосатый спектр излучения

Рис. 3. Полосатый спектр излучения

Линейчатый спектр — спектр, который состоит из отдельных не прилегающих друг к другу монохроматических излучений (рис. 1.4).

Линейчастый спектр излучения

Рис.4. Линейчастый спектр излучения

 

В табл. 1 приведенные общепринятые функции л и v для оптического участка спектра.


Соотношения между единицами измерения оптического излучения

Таблица 1. Соотношения между единицами измерения

 

Источник: www.jext.org

Виды спектров .

Спектральный состав излучения веществ очень разнообразен, но не­смотря на это, каждый спектр делится на 3 типа:

  • непрерыв­ные спектры,
  • линейчатые спектры,
  • полосатые спектры.

Непрерывные спектры, либо сплошные спектры, как видно из опытов, дают тела, которые находятся в твердом либо жидком состоянии, или очень сжатые газы. Что бы получить непрерывный спектр, тело необходимо нагреть до большой температуры.

 

Непрерывные спектры определяются не только излучательной способностью самих атомов, но в большой степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

 


Оптические спектры

 

На рисунке вы видите кривую зависимости спектральной плот­ности интенсивности теплового излучения от частоты (спектр) тела с сильно черной поверхностью. У кривой есть максимум при частоте vmax, которая зависит от температуры тела. С увеличением температуры максимум энергии излучения сдвигается к боль­шим частотам. Энергия излучения, которая приходится на очень маленькие (v 0) и очень большие (v → ∞) частоты, весьма мала. В сплошном спектре представлены каждая из длин волн.

 

Линейчатые спектры складываются из отдельных спектральных линий, это признак того, что вещество излучает свет конкретных длин волн в определенных, очень узких спектральных интервалах. Все линии имеют конечную длину.

 

Оптические спектры

 

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В таком случае излучают атомы, которые не взаимодействуют друг с другом. Это фунда­ментальный, самый основной тип спектров.

Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн, характерные для данного типа атомов. Классическим примером линейчатого спектра является спектр атома водорода.

 

Спектральные закономерности в спектре атома водорода.


Каждая частота излучений атома водо­рода составляет ряд серий, каждая из которых образуется в процессе перехода атома в одно из энерге­тических состояний из всех верхних энергетических состояний, то есть состояний с большей энер­гией, используя терминологию спектроскопии — переходов электрона с верхних возбужденных уровней энергии на нижние уровни.

 

Оптические спектры.

 

На рисунке а) вы можете увидеть переходы на 2-ой возбужденный энергетический уровень, которые составляют серию Бальмера, частоты излучения которой находятся в ви­димой области спектра. Серия имеет название по имени швейцарского учителя И. Бальмера, который еще в 1885 году основываясь на результатах экспериментов вывел формулу для определения частот видимой части спектра водорода:

 

Оптические спектры


 

где n — 3, 4, 5, …;

R — постоянная Ридберга, которая определена из спектральных данных и позже вычисленная основываясь на теории атома Бора.

В этой формуле v — не частота, которая измеряется в с-1, а вол­новое число, которое равно обратному значению длины волны 1/λ и которое измеряется в м1.

Что бы определить частоты излучения других серий атома водорода вместо двойки в знаменате­ле первой дроби в формуле Оптические спектры необходимо подставить числа 1, 3, 4, 5.

Номера нижних энергетических уровней, при переходе на которые с верхних уровней излучаются соответствующие серии:

 

Оптические спектры

 

Полосатые спектры состоят из отдельных полос, которые разделены темными промежутками. При по­мощи весьма хорошего спектрального аппарата можно увидеть, что все полосы состоят из большого числа близко лежащих линий. Полосатые спектры излучают молекулы, которые не связаны либо слабо связаны друг с другом.


Для наблюдения молекулярных спектров, как и для наблюдения линейчатых спектров, применяют свечение паров в пламени либо свечение газового разряда.

Спектры поглощения тоже делятся на 3 типа (сплошные, линейчатые и полосатые), что и спектры испускания. Поглощение света тоже зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, которые соответствуют красному свету (λ ≈ 8 · 105 см), и поглощает остальные.

Газ интенсивнее всех поглощает свет тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии.

Таким образом, если пропускать белый свет через холодный неизлучающий газ, то на фоне непрерыв­ного спектра излучения появятся темные линии. Это линии поглощения, которые образуют в совокуп­ности спектр поглощения.

Источник: www.calc.ru

На прошлом уроке мы с вами говорили о дисперсии света. Напомним, что дисперсией называется зависимость показателя преломления вещества и скорости света в нём от частоты падающего света.

Как показали опыты Ньютона, белый свет является сложным: пройдя через призму он разлагается на пучки различных цветов, которые образуют на экране разноцветную полоску, называемую спектром. И хотя, перечисляя цвета спектра, обычно называют семь цветов, начиная с красного и заканчивая фиолетовым, на самом деле один цвет переходит в другой постепенно.


Исследования, проведённые при помощи специального чувствительного термометра, показали, что спектр излучения нагретых тел, кроме видимых лучей, содержит ещё и невидимые лучи. Открыты они были в тысяча восьмисотом году английским астрономом Уильямом Гершелем. Одновременно с изучением Солнца, он искал способы уменьшения нагревания инструментов для наблюдения. Для этого Гершель помещал края термометров, у которых резервуар с ртутью был затемнён сажей, в различные участки спектра.

Оптический спектр

Какого же было его удивление, когда он обнаружил, что максимум тепла находится за насыщенным красным цветом. Из-за повышенной способности лучей нагревать тела, они были названы тепловыми, а затем (уже учитывая их расположение в спектре) — инфракрасными. Сейчас достоверно известно, что в инфракрасном диапазоне светится вся наша планета и все предметы на ней, даже лёд.

В 1801 году немецким физиком Иоганном Вильгельмом Риттером был обнаружен ещё один вид невидимого излучения, располагавшийся перед фиолетовой областью видимого спектра. Это — известное вам ультрафиолетовое излучение, обладающее сильным физиологическим воздействием.

Поскольку в спектрах нагретых тел нет пустых промежутков, то такие спектры являются непрерывными или, как их ещё называют, сплошными. Их дают раскалённые твёрдые тела и жидкости, а также пары́ и газы, находящиеся под очень большим давлением.


Оптический спектр

Например, сплошной спектр можно увидеть, направив спектроскоп на свет раскалённой спирали электрической лампочки или пламя свечи.

Оптический спектр

В середине девятнадцатого века немецкий физик Роберт Вильгельм Бунзен изобрёл специальную газовую горелку, называемую нами горелкой Бунзена. Вы спросите, а причём тут спектр?

Дело в том, что вещества, внесённые в пламя горелки, превращались в пар и окрашивали пламя в различные цвета. Например, медь окрашивала пламя в зелёный цвет, поваренная соль — в жёлтый, а литий — в малиново-красный.

Оптический спектр


Так вот, немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф предложил пропускать такой свет пламени через призму. Например, если в пламя горелки внести кусочек поваренной соли, то на бледном фоне сплошного спектра горелки возникнет яркая жёлтая линия, которую дают пары натрия.

Если же в пламя горелки внести литий или стронций, то пламя окрасится в малиново-красный цвет. Однако спектры паров лития и стронция будут существенно различаться. После прохождения через призму свет литиевого пламени даёт две линии — яркую малиновую и слабую оранжевую. А вот стронций — голубую, две красные и оранжевую линии.

Оптический спектр

Характерный спектр, также состоящий из набора отдельных цветных линий, даёт свечение газового разряда в трубке, содержащей исследуемый газ. Например, спектр испускания атомарного водорода содержит четыре цветные линии различной яркости, которые разделены широкими тёмными промежутками.

Оптический спектр

Спектр испускания гелия включает уже семь цветных линий.

Таким образом, спектры испускания различных веществ, находящихся в атомарном состоянии, представляют собой набор отдельных цветных линий на чёрном фоне. Такие спектры получили название линейчатых спектров испускания.


Оптический спектр

Как показали тщательные измерения, атомы каждого химического элемента испускают излучение, спектр которого не похож на спектры других элементов. Как не бывает людей с одинаковыми отпечатками пальцев, окраской радужной оболочки глаз, или китов с одинаковой окраской хвостового плавника, так и не существует двух химических элементов, атомы которых излучали бы одинаковый набор спектральных линий. Поэтому для каждого химического элемента составлена специальная таблица, в которой указаны характерные для него линии и их яркость.

Все описанные нами спектры получались при разложении излучаемого света самосветящимися телами. Такие спектры получили название спектров испускания. Но кроме них существуют ещё и так называемые спектры поглощения. Чтобы пронаблюдать такой спектр видоизменим предыдущий опыт. Поместим перед ненагретыми парами водорода источник света, дающий непрерывный спектр. При этом на экране, установленным за призмой, будем наблюдать сплошной спектр, перерезанный тёмными линиями. Эти линии получили название линий поглощения, а сам спектр — линейчатого спектра поглощения.

Оптический спектр

В 1859 году Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф установили, что линии поглощения находятся в тех же участках спектра, где должны быть расположены яркие линии в линейчатом спектре испускания, присущие данному газу. На основе этих наблюдений Кирхгоф сформулировал закон обратимости спектральных линий: атомы менее нагретых тел поглощают из сплошного спектра только те частоты, которые в других условиях они испускают.

Оптический спектр

Эта закономерность даёт возможность обнаружить те или иные элементы в данном веществе.

Кстати впервые линейчатый спектр поглощения наблюдал ещё в 1802 году английский врач и химик Уильям Хайд Волластон. Изучая непрерывный спектр Солнца, он обнаружил в нем несколько резких тёмных линий. Однако учёный не придал им особого значения, считая, что их появление зависит от внешних причин. Только через двенадцать лет немецкий физик Йозеф Фраунгофер, продолжая исследования тёмных линий в спектре Солнца (а их насчитывается около 20 тысяч), убедился, что их причина не оптический обман, а сама природа солнечного света. Впоследствии эти линии были названы фраунгоферовыми линиями солнечного спектра.

Также при изучении спектра Солнца в 1868 году был открыт неизвестный ранее химический элемент, названный гелием (от греческого слова «гелиос» — Солнце). А на Земле этот газ открыли только через 27 лет.

Таким образом, анализ линейчатых спектров излучения и поглощения позволяет расшифровать состав излучающего вещества.

Метод определения химического состава вещества по его спектру называют спектральным анализом. Данный метод был разработан в тысяча восемьсот пятьдесят девятом году уже известными нам Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом, что ознаменовало появление нового раздела физики — спектроскопии, изучающей спектры электромагнитного излучения.

Спектральный анализ при всей своей простоте, обладает рекордной чувствительностью: с его помощью можно обнаружить примесь нужного элемента в составе сложного вещества даже в том случае, когда его масса не превышает и тысячной доли микрограмма. Так, например, основатели спектрального анализа, исследуя спектры паров щелочных металлов лития, натрия и калия, обнаружили новые элементы — рубидий и цезий, названные так по цвету наиболее ярких линий в их спектрах: рубидий даёт темно-красные, рубиновые линии, а слово «цезий» означает «небесно-голубой».

Оптический спектр

При выполнении спектрального анализа вещества с неизвестным химическим составом его сначала приводят в атомарное состояние и сообщают атомам большую энергию. Для этого, чаще всего, используются высокотемпературные источники света. В них помещается исследуемое вещество в виде порошка или аэрозоля, а затем при помощи спектрографа получают фотографию спектров. Сравнивая полученный линейчатый спектр с известными спектрами химических элементов, можно определить, какие элементы имеются в составе исследуемого вещества.

Благодаря относительной простоте и достаточной универсальности спектральный анализ является основным методом для контроля состава вещества в машиностроении и металлургии, атомной индустрии. С его помощью определяется химический состав руд и минералов, определяется возраст археологических находок, используется и в криминалистике.

Спектральный анализ в астрофизике даёт возможность определять не только химический состав звёзд и газопылевых облаков, но и некоторые другие физические характеристики, например, температуру, давление, скорость движения небесного тела и индукцию его магнитного поля. Именно благодаря спектральному анализу было открыто смещение спектральных линий в спектрах галактик, что свидетельствовало о расширении нашей Вселенной.

Источник: videouroki.net

Классификация спектров.

Все спектры делятся на два основных класса: спектры испускания (или эмиссионные) и спектры поглощения. Каждый класс, в свою очередь, подразделяется на непрерывные (сплошные), полосатые и линейчатые спектры. Поясним эту классификацию на примере видоизмененной схемы опыта Ньютона (которая, заметим, была применена лишь столетие спустя). Основное нововведение в этой схеме состояло в том, что круглое отверстие в ставне было заменено коллиматором – узкой щелью и линзой перед призмой. Вторая линза помещалась за призмой и предназначалась для проецирования спектра на экран, как это делал сам Ньютон в своих более поздних опытах. Если на щель простого спектроскопа (как теперь называется устройство, состоящее из щели, линз и призмы) направить свет от лампы накаливания, то на экране возникает непрерывный спектр со следующим порядком чередования цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Если же щель осветить пламенем, в которое внесена крупинка поваренной соли (хлорида натрия NaCl), то спектр будет фактически состоять из двух близко расположенных ярких желтых линий. Аналогично, если щель осветить красным светом неоновой рекламной трубки, то на экране появится ряд ярких красных линий. Здесь каждая линия – это изображение щели спектроскопа, образованное светом определенной длины волны, а полученный спектр называется линейчатым спектром испускания. Существуют спектры, состоящие из групп линий, расположенных настолько тесно, что каждая группа выглядит как узкий участок непрерывного спектра. Такие спектры называются полосатыми.

Линии Фраунгофера.

В 1802, изучая непрерывный спектр Солнца, У.Волластон заметил в нем множество тонких темных линий. Двенадцатью годами позже Й.Фраунгофер, заменив зрительную трубу в спектроскопе Волластона трубой теодолита, точно измерил угловое положение темных линий. В честь него эти линии теперь называются фраунгоферовыми линиями солнечного спектра. См. также СОЛНЦЕ.

Исследования Кирхгофа.

В 1859 Г.Кирхгоф сформулировал свой знаменитый закон, связывающий поглощение и испускание. Суть его заключается в том, что любое вещество хорошо поглощает излучение именно тех длин волн, которое само интенсивно испускает. На основании этого закона Кирхгоф следующим образом объяснил появление фраунгоферовых линий в непрерывном солнечном спектре. Газ, находящийся во внешних, наиболее холодных слоях солнечной атмосферы, избирательно поглощает из сплошного спектра ярко светящейся фотосферы Солнца излучение тех длин волн, которые соответствуют линиям испускания возбужденного газа. Поэтому на отдельных участках непрерывного солнечного спектра резко падает интенсивность и появляются темные линии.

Одно из самых важных открытий физической оптики состоит в том, что каждый атом и каждая молекула испускают характерный только для них линейчатый спектр. Многие исследователи, работавшие после Фраунгофера, были близки к этому открытию, но лишь Кирхгоф смог четко сформулировать его и применить на практике. Он понял, что характеристические спектры и закон, связывающий поглощение и испускание, позволяют спектральным методом определить химический состав солнечной атмосферы и, более того, что они являются универсальным инструментом, дающим возможность в лабораторных условиях обнаруживать и анализировать различные элементы (так, к примеру, были открыты рубидий и цезий). Его работы, выполненные совместно с Р.Бунзеном, заложили основы современной спектроскопии. См. также СПЕКТРОСКОПИЯ.

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

В соответствии с длинами волн (l) весь спектр электромагнитного излучения условно делится на ряд частично перекрывающихся областей – от радиоволн на его длинноволновой границе до гамма-лучей на границе коротких волн. Однако такое деление отражает зависимость не только от l, но и от способов генерации и обнаружения соответствующего электромагнитного излучения. Например, нет никакого принципиального различия между микроволновым и инфракрасным излучением одинаковых длин волн, но если излучение генерируется электронным прибором, его называют микроволновым, а если оно испускается инфракрасным источником – инфракрасным.

Радиоволны.

Электромагнитное излучение с длинами волн примерно от 1 см до 30 000 м составляет радиоволновую часть спектра. Поскольку скорость любого электромагнитного излучения в вакууме составляет 300 000 000 м/с и равна произведению длины волны на частоту (c = ln), то радиоволновому интервалу соответствуют частоты примерно от 10 000 герц (Гц, 1Гц = 1 с–1) до 30 000 мегагерц (МГц, 1МГц = 106 Гц). Излучение таких частот получают с помощью ламповых или полупроводниковых генераторов, а для регистрации применяют резонансные радиосхемы.

Радиоволны используются в основном в системах связи и навигации. В 1932 было открыто радиоволновое излучение нашей Галактики, что в значительной мере стимулировало рождение новой науки – радиоастрономии. Крупного успеха радиоастрономия добилась в 1951, когда были обнаружены радиоволны, испускаемые облаками межзвездного водорода на единственной частоте, отвечающей длине волны около 21 см. В лабораториях радиоспектроскопия широко применяется для исследования атомов и молекул. См. также РАДИОАСТРОНОМИЯ.

Микроволновое излучение.

Излучение с длинами волн примерно от 0,5 мм до 30 см (частотный интервал от 600 000 до 1000 МГц) относится к микроволновому диапазону спектра. Для генерации микроволнового излучения применяются специальные электронные лампы (клистроны). Бурное развитие микроволновая техника получила в период Второй мировой войны в связи с резко возросшими требованиями к эффективности средств связи и радиолокации. Микроволновое излучение естественных источников обусловлено главным образом вращением молекул, хотя известны и СВЧ-спектры атомов. Исследование микроволновых вращательных спектров молекул является одни из самых точных методов определения структуры молекул газа.

Инфракрасное излучение.

Инфракрасное (ИК) излучение было открыто английским астрономом В.Гершелем в 1800. Пользуясь простым термометром, он установил, что тепловое излучение имеет наибольшую интенсивность за пределами видимой области вблизи его красной границы. Инфракрасная область спектра начинается примерно от 0,8 мкм и простирается примерно до 1 мм. Ранее лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскаленные тела либо электрические разряды в газах. Сейчас на основе твердотельных и молекулярных газовых лазеров созданы современные источники инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой. Для регистрации излучения в ближней ИК-области (до ~1,3 мкм) используются специальные фотопластинки. Более широким диапазоном чувствительности (примерно до 25 мкм) обладают фотоэлектрические детекторы и фоторезисторы. Излучение в дальней ИК-области регистрируется болометрами – детекторами, чувствительными к нагреву инфракрасным излучением.

ИК-аппаратура находит широкое применение как в военной технике (например, для наведения ракет), так и в гражданской (например, в волоконно-оптических системах связи). В качестве оптических элементов в ИК-спектрометрах используются либо линзы и призмы, либо дифракционные решетки и зеркала. Чтобы исключить поглощение излучения в воздухе, спектрометры для дальней ИК-области изготавливаются в вакуумном варианте.

Поскольку инфракрасные спектры связаны с вращательными и колебательными движениями в молекуле, а также с электронными переходами в атомах и молекулах, ИК-спектроскопия позволяет получать важные сведения о строении атомов и молекул, а также о зонной структуре кристаллов.

Видимая область.

Видимой области соответствует диапазон длин волн от 400 нм (фиолетовая граница) до 760 нм (красная граница), что составляет ничтожную часть полного электромагнитного спектра. Источниками видимого света в лаборатории обычно служат раскаленные твердые тела, электрический разряд и лазеры (обычно лазеры на красителях). Перестраиваемые лазеры на красителях позволяют перекрывать большие участки видимого спектра (например, краситель родамин 6G излучает в интервале 570–660 нм). Наиболее распространенными детекторами видимого излучения являются глаз человека, фотопластинки, фотоэлементы, фотоумножители. Видимые спектры связаны с квантовыми переходами внешних электронов атомов и молекул и содержат важнейшую информацию об их электронной структуре.

Ультрафиолетовое излучение.

Ультрафиолетовая (УФ) спектральная область была открыта в 1801, когда И.Риттер и У.Волластон, наблюдая солнечный спектр, обнаружили, что наибольшее почернение хлорида серебра вызывается излучением, более коротковолновым, нежели фиолетовое. К УФ-области относится излучение с длинами волн от 10 до 400 нм. УФ-излучение с длинами волн короче 185 нм поглощается воздухом, поэтому приборы для этого диапазона должны быть вакуумными. Поскольку лишь немногие из обычно прозрачных веществ остаются прозрачными для «вакуумного ультрафиолета», в таких приборах применяется отражательная оптика. Для регистрации ультрафиолетового излучения используются специальные фотопластинки и фотоэлектрические детекторы. Большинство УФ-спектров связано с квантовыми переходами внешних электронов атомов и молекул, поэтому УФ-спектроскопия применяется для исследования строения атомов.

Рентгеновское излучение.

В 1895 было сделано одно из самых важных открытий физики: В.Рентген, изучая электрические разряды в газах, заметил, что бумажный экран, подвергнутый специальной обработке, начинает светиться, если его поднести к работающей газоразрядной трубке, и сделал вывод, что свечение возникает под действием нового, неизвестного проникающего излучения, названного им X-лучами. Из дальнейших экспериментов выяснилось, что X-лучи – это электромагнитное излучение, длинноволновая граница которого перекрывается с вакуумным ультрафиолетом, а коротковолновая составляет малую долю нанометра.

Рентгеновское излучение с непрерывным спектром часто называют тормозным излучением, поскольку оно возникает при замедлении электронов, бомбардирующих анод рентгеновской трубки. См. также РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Гамма-излучение.

Гамма-излучение отличается от рентгеновского меньшей длиной волны (0,1–10–6нм) и своим происхождением. Ядро, получив в результате ядерной реакции избыточную энергию, может оказаться в возбужденном состоянии. Возвращаясь в состояние с более низкой энергией, оно отдает избыточную энергию, испуская гамма-квант. Изучение спектров гамма-излучения позволяет получить важную информацию о строении ядер и ядерных взаимодействиях, подобно тому, как оптические спектры помогают понять строение атомов и молекул и действующие в них силы.

Источник: www.krugosvet.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.