Физика
Оптика
Общая характеристика световых явлений.
Фотометрия и светотехника.
Основные законы геометрической оптики.
Применение отражения и преломления света для получения изображения.
Оптические системы и их погрешности.
Оптические приборы.
Интерференция света.
Дифракция света.
Физические принципы оптической голографии.
Поляризация света и поперечность световых волн.
Шкала электромагнитных волн.
Спектры и спектральные закономерности.
Действия света на вещество.
Википедия
Физика
Физика - это область естествознания, наука. Она изучает самые общие и фундаментальные закономерности, которые определяют структуру и эволюцию материальн... читать далее »
Статьи по Физике
19.10.2009 00:00

Спектры испускания. . Физика.

Типы спектров испускания.

Направив на щель спектрографа свет от солнца, лампы накаливания, свечи и т. д., мы получим спектры, имеющие вид сплошной полоски, в которой представлены все длины волн, идущие непрерывной чередой. Такие спектры называются сплошными или непрерывными.

Иной вид имеет спектр, если в качестве источника света использовать светящиеся газы. Направим, например, на спектрограф свет газоразрядной лампы, в которой светится пар ртути. Наблюдаемый спектр имеет вид, изображенный на рис. 1. Он состоит из отдельных резких линий, представляющих собой изображение щели спектрографа в отдельных длинах волн. Каждая линия представляет по существу узкий спектральный интервал, охватывающий некоторый набор длин волн; но интервал этот так узок, что его можно практически считать соответствующим одной определенной длине волны.



Рис. 1. Спектр пара ртути (длины волн — в ангстремах)


Рис. 2. Небольшой участок спектра железа (от 4143 до 4236 Å)


Приведенный на рис. 1 в качестве примера спектр ртути характерен для свечения газов или паров. Такие спектры принято называть линейчатыми. Разнообразные пары или газы могут давать спектры, отличающиеся положением спектральных линий (т. е. их длиной волны), а также числом их и распределением по спектру. Спектр пара ртути сравнительно беден линиями; наоборот, в спектре пара железа, например, насчитывается несколько тысяч отдельных спектральных линий (рис. 2), распределенных по видимой и ультрафиолетовой областям спектра.



Рис. 3. Спектр пара иода


При изучении спектров паров или газов наблюдаются также спектры, состоящие из отдельных полос, разделенных темными промежутками. Некоторые из этих полос при более тщательном исследовании оказываются состоящими из очень большого числа отдельных линий, другие же представляют собой действительно сплошные полоски. Такого типа спектры принято называть полосатыми. Рис. 3 дает пример такого спектра, наблюдаемого при свечении пара иода.
 


Происхождение спектров различных типов.

Исследование показало, что тип спектра определяется характером светящегося объекта.

Сплошные спектры получаются в результате свечения твердых или жидких тел. В пламени свечи светятся раскаленные частицы угля, в электрической лампочке — накаленная металлическая нить. Такие же спектры дают и расплавленные металлы, а также светящиеся газы или пары, если они обладают значительной плотностью, т. е. находятся под очень высоким давлением. В частности, сплошной спектр Солнца представляет собой, по-видимому, свечение паров высокой плотности.

Линейчатые и полосатые спектры характерны для свечения газов или паров малой плотности. Линейчатые спектры испускаются светящимися атомами. Многие газы состоят из отдельных атомов, например пары металлов и так называемые инертные газы — гелий, неон, аргон и др. Газы, состоящие из молекул, например водород, кислород, пар иода и др., могут при возбуждении распадаться на атомы (диссоциировать). Такие атомарные газы дают линейчатые спектры. Но можно вызвать свечение и целых молекул, не разбивая их на атомы. В таком случае испускаются полосатые спектры. При возбуждении таких многоатомных газов или паров нередко происходит частичная диссоциация и наблюдается одновременно и линейчатый и полосатый спектры.

Свечение атомов и молекул в парах и газах можно вызвать нагреванием. Например, в пламени газовой горелки можно наблюдать полосы, соответствующие свечению молекул циана, представляющих соединение углерода и азота (CN). Если в пламя внести крупинку поваренной соли (хлористого натрия, NaCl), то пламя окрашивается в интенсивный желтый цвет, и спектральный аппарат обнаруживает в желтой части спектра две близко расположенные линии, характерные для спектра паров натрия. Это означает, что в пламени горелки молекулы хлористого натрия распались на атомы натрия и хлора, свечение атомов натрия легко наблюдается, свечение же атомов хлора возбудить не легко, и оно обычно слишком слабо. Гораздо чаще для возбуждения спектров атомов и молекул пользуются явлениями электрического разряда в газах. В этом случае трубка с электродами, через которую пропускают электрический ток, наполняется газом при низком давлении.

В этих условиях разряд имеет характер тлеющего. Нередко трубке тлеющего разряда придают форму, указанную на рис. 4, с тем чтобы сконцентрировать свечение в узкой части, что удобно для освещения щели спектрографа. На этом рисунке 1 — электроды, 2 — узкая часть, где плотность тока (т. е. ток, рассчитанный на единицу площади) и яркость свечения имеют наибольшее значение. Для той же цели может служить электрическая искра или дуга между исследуемыми электродами.

Если повышать давление светящегося пара или газа, то спектральные линии начинают расширяться, захватывая больший спектральный интервал.


Рис. 4. Трубка  тлеющего разряда

При очень больших давлениях (сотни и больше атмосфер) линейчатый спектр постепенно переходит в сплошной, характерный для сжатых газов.



Спектральные закономерности.

Линейчатый спектр атома представляет собой совокупность большого числа линий, разбросанных по всему спектру без всякого видимого порядка. Однако внимательное изучение спектров показало, что расположение линий следует определенным закономерностям.  



Рис. 5. Линейчатый спектр водорода (серия Бальмера, длины волн в нанометрах). Ha, Нb, Нg и Hd — обозначения первых четырех линий серии, лежащих в видимой области спектра


Яснее всего, конечно, эти закономерности выступают на сравнительно простых спектрах, характерных для простых атомов. Впервые такая закономерность была установлена для спектра водорода, изображенного на рис. 5.

В 1885 г. швейцарский физик и математик Иоганн Якоб Бальмер (1825—1898) установил, что частоты отдельных линий водорода выражаются простой формулой:

где n означает частоту света, т. е. число волн, испускаемых в единицу времени, R — называемая постоянной Ридберга величина, равная 3,28984•1015 с-1, и m — целое число. Если задавать для т значения 3, 4, 5 и т. д., то получаются значения, очень хорошо совпадающие с частотами последовательных линий спектра водорода. Совокупность этих линий составляет серию Бальмера.

В дальнейшем было обнаружено, что в спектре водорода еще имеются многочисленные спектральные линии, которые также составляют серии, подобные серии Бальмера.

Частоты этих линий могут быть представлены формулами
(серия Лаймана),
(серия Пашена),
причем R имеет то же самое числовое значение, что и в формуле Бальмера. Таким образом, все водородные серии можно объединить одной формулой:

где n и m — целые числа, причем m³n+1.
Спектры других атомов значительно сложнее, и распределение их линий в серии не так просто. Оказалось, однако, что спектральные линии всех атомов могут быть распределены в серии. Крайне важно, что сериальные закономерности для всех атомов могут быть представлены в форме, подобной формуле Бальмера, причем постоянная R имеет почти одно и то же значение для всех атомов.

Существование спектральных закономерностей, общих для всех атомов, указывало несомненно на глубокую связь этих закономерностей с основными чертами атомной структуры. Действительно, датский физик, создатель квантовой теории атома Нильс Бор (1885—1962) в 1913 г. нашел ключ к пониманию этих закономерностей, установив в то же время основы современной теории атома (см. гл. XXII).


Спектральный анализ по спектрам испускания.


Каждый атом испускает свои определенные спектральные линии, составляющие его спектр. Различные атомы имеют иногда отдельные случайно совпадающие линии, но спектр атома в целом вполне характерен для этого атома. Поэтому появление совокупности спектральных линий, принадлежащих какому-нибудь атому, является верным признаком того, что данный элемент находится среди светящихся паров источника. Это важное правило было установлено немецкими физиком Густавом Кирхгофом (1824—1887) и химиком Робертом Бунзеном (1811—1899) в 1859 г. и послужило основанием для создания спектрального метода химического анализа. При его помощи можно открывать присутствие интересующего нас элемента даже в том случае, когда количество этого элемента очень мало. Примесь вещества, масса которого составляет 10-7 —10-8 г, может быть надежно установлена; в некоторых особо благоприятных случаях обнаруживаются и вещества, масса которых не превышает 10-10 г.

Кирхгоф и Бунзен сделали при помощи своего метода несколько важных открытий. Исследуя спектр пара смеси соединений щелочных металлов (лития, натрия и калия), они обнаружили, что, кроме линий, принадлежащих известным металлам, имеется налицо ряд новых линий. Ими было высказано предположение, что в смеси присутствуют новые, еще не известные химикам элементы. Действительно, путем соответствующей обработки удалось выделить два новых элемента, которые получили названия рубидий и цезий. Впоследствии при помощи спектрального анализа было открыто еще несколько неизвестных элементов (таллий, индий, галлий).

Интересно отметить, что элемент, получивший название галлий, был предсказан Д. И. Менделеевым под названием экаалюминий. Менделеев описал предполагаемые свойства элемента и указал, что его следует искать с помощью спектрального анализа. Ниже предсказания Менделеева сопоставлены с описанием, данным Буабодраном, открывшим и исследовавшим этот новый элемент.

Свойства   экаалюминия (Еа), предсказанные Менделеевым
1. Атомный   вес — около  68.
2. Металл с удельным весом 5,9; низкая точка плавления; не летучий, не окисляется на воздухе; будет разлагать пары воды при температуре красного каления; будет растворяться в кислотах и щелочах.
3. Окисел:  формула  Еа2О3, удельный вес 5,5; будет растворяться в кислотах, образуя соль типа ЕаХ3. Гидроокись будет растворяться в кислотах и щелочах.
4. С о л и: будут иметь тенденцию образовывать основные соли; сульфаты будут образовывать квасцы; сульфиды будут осаждаться под действием
Свойства галлия (Ga), описанные Буабодраном
1. Атомный вес —69,9.
2. Металл с удельным весом 5,94; точка плавления 30°,15; не    летуч   при    умеренной температуре,   не   изменяется на воздухе; действие на пары воды неизвестно; слабо растворим в кислотах и щелочах.
3. Окисел: Ga2O3, удельный вес неизвестен; растворим в кислотах, образует соли типа GaX3. Гидроокись растворяется в кислотах и щелочах.
4. Соли:   легко  гидролизируются и дают основные соли; квасцы  неизвестны;  сульфид осаждается под действием N2S и (NH4)2S при   специальных условиях; безводный хлорид более летуч, чем хлорид цинка.
5. Галлий был открыт с помощью спектроскопа.
В 1895 г. в спектре Солнца были установлены новые линии, которые были приписаны новому газу, получившему название гелий.

Некоторое время спустя на Земле был обнаружен в чистом виде газ, спектр которого оказался тождественным со спектром гипотетического гелия. Таким образом, догадка о наличии в составе Солнца нового элемента была подтверждена .

Пример с гелием не только очень поучителен, но он одновременно показывает, какое значение спектральный анализ имеет для решения вопроса о составе небесных тел, недоступных прямому химическому исследованию. В настоящее время благодаря спектральному анализу мы имеем довольно полные сведения о составе Вселенной и установили, что она построена из тех же элементов, которые имеются и на Земле. Данные, полученные на космических кораблях и спутниках, подтверждают и дополняют наши сведения о составе Луны и планет.

По существованию в спектре определенных спектральных линий можно с несомненностью судить о присутствии какого-либо элемента в изучаемой смеси, т. е. делать качественный анализ. Наблюдение же над интенсивностью соответствующей спектральной линии позволяет судить и о количестве данного элемента в пробе. Эта задача гораздо более сложная потому, что хотя интенсивность спектральных линий возрастает вместе с концентрацией данного элемента, однако связь между интенсивностью и концентрацией не проста. Существует много причин, могущих влиять на интенсивность линии при неизменной концентрации. Поэтому лишь сравнительно недавно удалось разработать методы исследования, которые позволяют определять при помощи спектрального анализа концентрацию интересующего нас элемента, т. е. производить и количественный анализ.

Практическое значение этих методов очень велико, ибо они позволяют выполнять быстрые анализы состава сложных сплавов, играющих огромную роль в современной технике. Многие сплавы (например, различные сорта стали) по внешнему виду не отличимы друг от друга, но наблюдение их спектров позволяет определить их состав. Так как изготовление той или иной ответственной части машины из неподходящего сорта стали ведет к браку и аварии, то ошибка в выборе материала крайне опасна. Поэтому на заводах СССР сталь, прежде чем направлять ее в производство, подвергают быстрому спектральному анализу, занимающему около 1 мин. Метод экспрессного спектрального анализа металлов был разработан под руководством академика Г. С. Ландсберга (1890—1957) в конце 30-х годов.

Аналогично при помощи спектрального анализа производится определение состава руд и минералов, что позволяет ускорить и упростить разведку ценных ископаемых и решить ряд других практических задач.











по материалам пособия “Элементарный учебник физики” под ред. академика Г. С. Ландсберга.
Источник

© WIKI.RU, 2008–2017 г. Все права защищены.
лазурит купить; георешетка для дорожного строительства; линк