Типы оптических спектров

На прошлом уроке мы познакомились с явлением дисперсии света. Мы увидели, что белый свет можно разложить на спектр с помощью призмы. Оказалось, что разные длины волн преломляются по-разному (рисунок 1). Поэтому на экране появляется цветная полоса — спектр.

Но свет, который мы использовали, был солнечным или от лампы. Здесь возникает естественный вопрос: спектры других источников света выглядят так же?

Оказывается, что если исследовать с помощью спектроскопа свет от раскаленного металла или свечения газа, то мы обнаружим, что спектры могут выглядеть совершенно иначе. Они могут состоять из отдельных ярких линий или из полос (рисунок 2).

Поэтому на данном уроке мы разберемся, какие виды оптических спектров существуют, чем они отличаются и какие вещества их создают. Мы познакомимся с важным инструментом многих научных исследований — методом спектрального анализа; узнаем, где и для чего он применяется.

Излучение света

Корпускулярно-волновой дуализм

Когда мы говорили о природе света, то обсуждали корпускулярно-волновой дуализм. С одной стороны, свет — это электромагнитные волны. Им соответствуют определенные частоты и длины волн (рисунок 3). Эти волны распространяются в пространстве с определенной скоростью.

Именно волновые свойства света помогли нам объяснить явление дисперсии.

Но с другой стороны, свет можно рассматривать как поток частиц — фотонов. Каждый фотон обладает определенной порцией энергии — квантом света.

Квант — это наименьшая неделимая часть энергии, ее порция.

Фотон — это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения.

{"questions":[{"content":"Корпускулярно-волновая природа света говорит нам о том, что свет [[fill_choice_big-1]].","widgets":{"fill_choice_big-1":{"type":"fill_choice_big","options":["всегда ведет себя только как волна","всегда ведет себя только как частица","проявляет свойства и волны, и частицы в зависимости от условий эксперимента","не обладает никакими физическими свойствами"],"answer":2}}}]}

Свет как переносчик энергии

Получается, что любой свет переносит энергию.

Когда вещество (его атомы) излучает свет, оно отдает энергию. А когда вещество поглощает свет, оно получает энергию.

Остановимся на излучении света. Чтобы вещество отдавало энергию, оно должно сначала ее откуда-то получить. Это возможно при определенных процессах: нагревании, пропускании через вещество электрического разряда, при химических реакциях. Эти процессы порождают определенные внутренние изменения в веществе. Почему и как эти изменения приводят к излучению света, мы подробно обсудим на следующем уроке.

{"questions":[{"content":"При излучении света веществом его атомы [[fill_choice_big-3]].","widgets":{"fill_choice_big-3":{"type":"fill_choice_big","options":["отдают энергию","получают энергию","не отдают и не получают энергию"],"answer":0}}}]}

Оптический спектр

Итак, когда вещество излучает свет, оно отдает энергию. И делает это определенным образом, а не произвольным. Свет, который испускает какой-либо источник, может состоять из волн разных частот и иметь разную интенсивность. Можно разложить этот свет на составные части. В результате мы получим оптический спектр.

Оптический спектр — это совокупность частот или длин волн, создаваемых источником видимого излучения.

Логично предположить, что спектры излучения (испускания) разных веществ будут различны. И это предположение абсолютно верно!

Спектры испускания разных веществ не одинаковы.

Дело в том, что у каждого химического элемента свой собственный набор «цветов», который оно может излучать. То есть спектр — это своеобразная «подпись», «отпечаток пальца» вещества.

Тем не менее многочисленные наблюдения показали, что все оптические спектры можно разделить на несколько видов.

{"questions":[{"content":"Совокупность частот или длин волн, создаваемых источником видимого излучения, называется [[fill_choice_big-6]].","widgets":{"fill_choice_big-6":{"type":"fill_choice_big","options":["оптическим спектром","инфракрасным спектром","корпускулярно-волновой природой света","квантом электромагнитного излучения"],"answer":0}}}]}

Спектры испускания

Спектры, которые возникают, когда вещество излучает свет, называются спектрами испускания. Выделяют три основных типа:

• непрерывный спектр,
• линейчатый спектр,
• полосатый спектр.

{"questions":[{"content":"Спектр испускания получают, когда вещество [[fill_choice_big-10]].","widgets":{"fill_choice_big-10":{"type":"fill_choice_big","options":["излучает свет","поглощает свет","находится в стабильном состоянии","находится под большим давлением"],"answer":0}}}]}

Непрерывный спектр

На прошлом уроке мы рассматривали опыт с пропусканием белого света через призму (рисунок 4).

В результате мы получили спектр в виде сплошной полосы (рисунок 5). Здесь представлены все цвета, переходящие один в другой. То есть, волны всех частот от $4 \cdot 10^{14}$ до $8 \cdot 10^{14} \space Гц$. Такой спектр называется сплошным, или непрерывным.

Непрерывный спектр — это спектр, в котором есть все длины волн подряд, без разрывов.

Такой спектр дают твердые и жидкие тела, температура которых достигает нескольких тысяч градусов Цельсия. Также сплошной спектр получается от светящихся газов и их паров, если они находятся под очень высоким давлением.

Высокая температура и большое давление означают, что частицы вещества (атомы или молекулы) сильно сталкиваются друг с другом и быстро двигаются. Из-за этого они излучают свет самых разных длин волн. В результате мы видим сплошной спектр.

Например, непрерывный спектр мы можем наблюдать от света раскаленной нити электрической лампы ($t_{нити} \approx 2300 \degree C$). Для этого нужно направить на нее спектроскоп. Такой же спектр мы получим и от светящейся поверхности раскаленного металла, и даже от пламени свечи. Во всех этих случаях свет излучается мельчайшими раскаленными твердыми частицами. Каждая из этих частиц в свою очередь состоит из огромного количества взаимодействующих между собой атомов.

Если говорить о газах под высоким давлением, то в пример можно привести Солнце. Внешний слой газа (особенно, фотосфера) этой звезды настолько плотный, что создает почти непрерывный спектр.

{"questions":[{"content":"От каких источников света можно получить сплошной спектр?[[choice-15]]","widgets":{"choice-15":{"type":"choice","options":["газы под высоким давлением","раскаленные твердые тела","раскаленные жидкости","раскаленные газы","твердые тела под высоким давлением"],"answer":[0,1,2]}}}]}

Линейчатый спектр

Совсем другой вид будет иметь спектр, если в качестве источника мы возьмем светящийся газ малой плотности (разреженный газ). Такие газы обычно состоят из изолированных атомов. То есть из атомов, взаимодействие между которыми очень мало. Поэтому такие газы еще называют атомарными. Чтобы атомарный газ начал излучать свет, его нужно нагреть. Температура должна доходить до $2000 \degree C$ или более.

Рассмотрим пример. Внесем в пламя спиртовки кусочек поваренной соли (NaCl). Мы увидим, что пламя окрасилось в желтый цвет (рисунок 6).

Если же мы посмотрим на это пламя через спектроскоп, то будем наблюдать спектр. Мы увидим две близко расположенные желтые линии (рисунок 7). Это характерно для спектра паров натрия.

Под действием высокой температуры молекулы NaCl распадаются на атомы натрия и хлора. Дело в том, что свечение атомов хлора возбудить довольно трудно. Сделать это намного сложнее, чем вызвать свечение атомов натрия. Поэтому в этом опыте на спектре линии хлора не видны.

Спектр, полученный от светящихся атомов водорода будет выглядеть немного по-другому (рисунок 8).

Светящиеся атомы гелия дадут другие линии на наблюдаемом спектре (рисунок 9).

Такие спектры называются линейчатыми, или дискретными.

Линейчатый спектр — это спектр, состоящий из отдельных ярких линий, отделенных друг от друга темными промежутками.

Если мы видим линейчатый спектр, то можем сказать, что вещество излучает свет только определенных частот (или длин волн). Точнее говоря, свет излучают атомы вещества, которые практически не взаимодействуют друг с другом.

Линейчатые спектры различных химических элементов отличаются цветом, положением и числом отдельно светящихся линий.

{"questions":[{"content":"Могут ли линейчатые спектры атомов двух разных химических элементов быть одинаковыми?[[choice-20]]","widgets":{"choice-20":{"type":"choice","options":["Нет","Да"],"explanations":["Линейчатые спектры атомов двух разных химических элементов никогда не бывают одинаковыми. Каждый элемент имеет свой уникальный спектр.",""],"answer":[0]}}}]}

Полосатый спектр

Последний тип спектров — полосатый спектр (рисунок 10).

Если использовать хороший спектроскоп, можно обнаружить, что каждая полоса состоит из большого числа очень тесно расположенных линий (рисунок 11). Такой спектр можно наблюдать у отдельных возбужденных молекул. Например, молекулы кислорода или азота при электрическом разряде дают полосатые спектры.

Полосатый спектр — это спектр, состоящий из групп линий, собранных в полосы.

Мы не будем подробно рассматривать полосатый спектр, потому что его структура намного сложнее линейчатого (включает много перекрывающихся линий). Главное, что нужно помнить: полосатый спектр — это спектр молекул, а не отдельных атомов.

{"questions":[{"content":"Соотнесите типы спектров и их источники.[[matcher-23]]","widgets":{"matcher-23":{"type":"matcher","labels":["Линейчатый спектр","Полосатый спектр"],"items":["Отдельные атомы вещества","Молекулы вещества"]}}}]}

Спектры поглощения

Кроме рассмотренных нами спектров испускания существуют еще спектры поглощения. Они показывают, какой свет вещество способно поглотить.

На данном уроке мы рассмотрим только линейчатые спектры поглощения. Их можно получить от газов малой плотности, состоящих из изолированных атомов. Для этого через такой газ пропускают свет от яркого и более горячего, чем сам газ, источника. При этом свет источника должен давать непрерывный спектр.

Рассмотрим пример получения линейчатого спектра поглощения (рисунок 12). Возьмем лампу накаливания и сосуд с парами натрия. Температура паров должна быть ниже температуры нити лампы накаливания.

Теперь если посмотреть в спектроскоп на пары натрия, освещенные лампой накаливания, то можно увидеть спектр, показанный на рисунке 13.

Мы видим, что на сплошном спектре света от лампы появились две узкие черные линии. Это и есть линейчатый спектр поглощения натрия.

На спектре поглощения водорода мы увидим четыре черные линии (рисунок 14, а), а на спектре гелия — семь (рисунок 14, б).

В природе линейчатые спектры поглощения имеют разреженные газовые облака, через которые проходит свет от звезд. Также некоторые атомы в атмосфере Солнца поглощают определенные длины волн испускаемого солнечного света.

{"questions":[{"content":"Черные линии на линейчатом спектре поглощения показывают, какой свет исследуемое вещество может [[fill_choice_big-25]].","widgets":{"fill_choice_big-25":{"type":"fill_choice_big","options":["поглотить","излучить"],"answer":0}}}]}

Закон Кирхгофа для линейчатых спектров испускания и поглощения

Сравнение спектров испускания и поглощения

А теперь давайте сравним спектры испускания и поглощения натрия (рисунок 15).

Мы видим, что на спектре поглощения черные линии расположены точно там же, где на спектре испускания располагаются желтые линии.

Совпадение линий испускания и поглощения можно наблюдать и в спектрах других элементов. Например, в спектрах водорода и гелия (рисунок 16).

{"questions":[{"content":"Линии испускания и поглощения одного химического элемента всегда будут [[fill_choice_big-27]] друг с другом.","widgets":{"fill_choice_big-27":{"type":"fill_choice_big","options":["совпадать","не совпадать"],"answer":0}}}]}

Закон Кирхгофа

Подобные сравнения спектров испускания и поглощения проводил в 1859 году немецкий физик Густав Кирхгоф. На основе экспериментальных данных он сформулировал закон обратимости спектральных линий.

Линии поглощения данного химического элемента соответствуют его линиям испускания.

Это означает, что атомы менее нагретого вещества поглощают из сплошного спектра именно те частоты, которые они в других условиях испускают. Именно эта закономерность легла в основу метода спектрального анализа.

{"questions":[{"content":"Закон обратимости спектральных линий сформулировал [[fill_choice_big-29]].","widgets":{"fill_choice_big-29":{"type":"fill_choice_big","options":["Густав Кирхгоф","Альберт Эйнштейн","Джеймс Максвелл","Исаак Ньютон"],"answer":0}}}]}

Спектральный анализ

Мы уже говорили о том, что спектр каждого химического элемента уникален. Как не бывает двух людей с одинаковыми отпечатками пальцев, так не существует двух химических элементов, атомы которых излучали бы одинаковые спектральные линии.

Этот факт, а также закон обратимости спектральных линий сделали возможным появление метода спектрального анализа. Его разработал Кирхгоф совместно с другим немецким ученым — химиком Робертом Бунзеном.

Спектральный анализ — это метод определения химического состава вещества по его линейчатому спектру.

Для выполнения спектрального анализа вещества с неизвестным составом нужно совершить три основных действия.

• Сначала необходимо заставить атомы исследуемого вещества излучать свет с линейчатым спектром.
  Для этого нужно привести вещество в атомарное состояние и сообщить атомам большую энергию. В ход идут высокотемпературные источники света. Например, пламя и электрические разряды. В такой источник помещают исследуемое вещество в виде порошка или аэрозоля раствора.
• Далее при помощи спектрографа получают фотографию спектра этого вещества.
  Иногда используют спектр испускания, а иногда — спектр поглощения. Это зависит от того, какой спектр проще получить в конкретном случае.
• Полученный линейчатый спектр сравнивают с известными спектрами химических элементов.

На данный момент существуют таблицы спектров всех химических элементов. Так, полученные при анализе спектры сравнивают с табличными. Это позволяет узнать, какие именно химические элементы входят в состав неизвестного вещества. А если сравнивать интенсивность линий на спектре, то можно говорить о количестве элементов в образце. 

Спектральный анализ имеет несколько существенных преимуществ перед другими способами исследования.

• Высокая точность.
  Спектральные линии характерны для каждого элемента.
• Возможность анализа малого количества вещества.
  Можно обнаружить наличие химического элемента, масса которого не превышает $10^{−10} \space г$ в данном образце.
• Возможность исследования вещества, находящегося на большом расстоянии.
  Так ученые определяют химический состав планет, звезд и других небесных тел.

{"questions":[{"content":"С помощью метода спектрального анализа можно определить химический состав вещества по его [[fill_choice_big-33]] спектру.","widgets":{"fill_choice_big-33":{"type":"fill_choice_big","options":["линейчатому","сплошному","полосатому"],"answer":0}}}]}

Применение спектрального анализа

Спектральный анализ имеет очень широкое применение, ведь он позволяет определить состав вещества без непосредственного контакта с ним. Достаточно изучить свет, который вещество излучает или поглощает, чтобы узнать, какие элементы в нем содержатся. Именно поэтому спектральный анализ широко используется в самых разных областях науки и техники.

• Астрономия
  Позволяет исследовать состав планетных атмосфер и газовых туманностей, определить какие элементы присутствуют в составе небесного тела, выяснить температуру и плотность звездного вещества.
• Химия
  С помощью метода спектрального анализа ученые могут анализировать состав неизвестного вещества, находить примеси, контролировать чистоту реактивов и материалов.
• Металлургия
  Контроль состава металлов и сплавов.
• Экология и медицина
  Проводится анализ воздуха и воды на содержание загрязняющих и токсичных веществ, исследования состава крови и тканей.
• Геология
  Спектральный анализ служит для исследования минералов и руд, позволяет определить ценность руды и найти редкие элементы.
• Криминалистика
  С помощью спектрального анализа можно определить состав краски, стекла, волокон и обнаружить следы металлов и химикатов на месте преступления.

{"questions":[{"content":"Спектральный анализ позволяет исследовать [[fill_choice_big-37]].","widgets":{"fill_choice_big-37":{"type":"fill_choice_big","options":["тела, находящиеся на большом расстоянии","только большие количества вещества","только жидкие тела"],"answer":0}}}]}

Часто задаваемые вопросы