Спектры и спектральный анализ
Спектр – это последовательность спектральных цветов, упорядоченная по возрастанию длины волны. Он появляется при прохождении светового луча через преломляющуюся среду.
Распределение энергии в спектре
Опыты по разложению света в спектр с участием призмы, по интерференции и дифракции показывают различные оптические процессы. Таким образом, они подтверждают, что источники не дают монохроматического света, длина волн которого строго определена.
Свет несёт определённую энергию от источника теплового излучения, которая распределяется неравномерно по волнам или частотам всех длин волн в составе светового пучка. Альтернативно эта энергия распределяется на единичном интервале длин волн.
Интенсивность электромагнитного потока определяется отдельной энергией. Чтобы охарактеризовать распределение излучения по частотам, вводится новая величина – спектральная плотность потока излучения.
Спектральная плотностью потока излучения – это интенсивность излучения, приходящегося на единичный интервал частот.
Плотность потока излучения получается при суммировании выражений, характеризующих интенсивность излучения на небольших спектральных интервалах.
Обычно спектральная плотность излучения на различных частотах находится экспериментально. Используя призму, экспериментаторы получают спектр излучения определённого предмета и измеряют плотность потока излучения на спектральных интервалах маленькой ширины.
Определить распределение энергии с помощью наблюдения невозможно, ведь человеческий глаз избирательно чувствителен к световым волнам: наши зрительные органы концентрируются в жёлто-зелёной области спектра. Лучших вариантом станет использование основного свойства абсолютно чёрного тела: поглощение света всех длин волн.
Падая на поверхность тела, энергия света (излучения) вызывает его нагревание. Это означает, что судить о количестве энергии, излучаемой телом, можно, измерив температуру этого тела.
Закончив опыты, экспериментаторы построили кривую зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты.
Такое наглядное представление информации даёт понять о распределении энергии в видимой части спектра тела.
Спектральные аппараты
Спектральные аппараты – это приборы, которые дают чёткий спектр. Под этим подразумевается хорошее разделение различных волн и не допущение перекрывания каких-либо участков спектра. Основная часть спектральных аппаратов – призма или дифракционная решётка.
Чтобы понять принцип устройства и работы, обратим внимание на схему призменного спектрального аппарата:
При проведении исследования излучение попадает в трубку, один конец которой представлен ширмой с узкой щелью, а другой – собирающей линзой L1. Эта часть спектрального аппарата называется коллиматором, её составляющие находятся на фокусном расстоянии от линзы. Этот фактор обеспечивает падение расходящегося светового пучка параллельно на призму Р.
Выходящие из призмы параллельные пучки имеют разные направления, потому что им соответствуют разные частоты и показатели преломления. Все направления в итоге ведут к линзе L2, на фокусном расстоянии от которой располагается экран (матовое стекло или фотопластинка). Таким образом, фокусировка лучей обеспечит получение множества разных изображений, образующих спектр.
Второе название представленного прибора – спектрограф. Замена второй линзы и экрана на зрительную трубу для визуального наблюдения спектров переименует его в спектроскоп.
Виды спектров
Все спектры разделяются на три типа:
- Непрерывные (сплошные);
- Линейчатые;
- Полосатые.
Непрерывные (сплошные) спектры
Непрерывный (сплошной) спектр – это спектр, представляющий волны всех длин волн в данном диапазоне. Ярким примером являются солнечный спектр и спектр дугового фонаря. В них нет разрывов – на экране спектрографа наблюдается сплошная полоса разных цветов.
Появление подобного перехода объясняется кривой зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты:
Мы наблюдаем, что распределение энергии по частотам (спектральная плотность интенсивности излучения) различно для разных тел. Возьмём тело с очень тёмной поверхностью (лучше даже абсолютно чёрное тело). Оно излучает электромагнитные волны всех частот, однако свой максимум представленная кривая обретает лишь при определённой частоте. Остальные показатель частоты стремятся либо к нулю, либо – к бесконечности, поэтому энергия излучения очень маленькая. Если же повысить температуру исследуемого тела, то максимум спектральной плотности излучения сместится к коротким волнам.
Говоря об агрегатном состоянии веществ, дающих непрерывные (сплошные) спектры, следует упомянуть твёрдые тела, жидкости и сильно сжатые газы. Высокотемпературная плазма также даёт именно такие спектры.
Итак, непрерывный спектр значительно зависит от взаимодействия атомов друг с другом. Для его получения тело следует нагреть до высоких температур. Полная излучательная способность тела прямо пропорциональна четвёртой степени его абсолютной температуры.
Линейчатые спектры
Поднесём к небольшому пламени газовой горелки кусочек асбеста, предварительно смоченный раствором обыкновенной поваренной соли. Наблюдая пламя в спектроскоп, увидим на экране яркую жёлтую линию. Подобному цвету соответствуют пары натрия, образующиеся при расщеплении молекул поваренной соли (хлорида натрия) в пламени.
Во время этого опыта мы также будем наблюдать спектры водорода и гелия.
Линейчатый спектр – это спектр, который представляет собой цветные линии разной яркости, разделённые широкими тёмными полосами.
Наблюдение линейчатого спектра означает излучение веществом света лишь в определённых очень узких спектральных интервалах. Примерное распределение спектральной плотности интенсивности излучения в линейчатом спектре показано на следующем графике зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты:
Каждая изображённая линия спектра обладает конечной шириной.
Любое вещество в газообразном атомарном (не молекулярном) состоянии даст линейчатый спектр. Например, свет излучает атомы, практически не взаимодействующие друг с другом. Изолированные атомы излучают свет строго определённых длин волн. Этот тип спектров фундаментальный и основной.
Часто линейчатые спектры наблюдают при помощи свечения паров вещества в пламени или свечении газового разряда в трубке, наполненной необходимым для исследования газом.
Полосатые спектры
Полосатый спектр — это спектр, который состоит из отдельных полос, разделённых тёмными промежутками.
Качественный спектральный аппарат даёт возможность обнаружить, что каждая полоса на полосатом спектре – это совокупность большого количество тесно расположенных линий.
Линейчатые спектры образуются атомами, а полосатые молекулами, которые не связаны или слабо связаны друг с другом. Однако наблюдаются эти спектры оба при помощи свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда.
Спектры поглощения
Спектр поглощения – это совокупность тёмных линий на фоне непрерывного спектры (линий поглощения).
Световые волны излучает все вещества, атомы которых находятся в возбуждённом состоянии. Энергия этих волн определённым образом распределяется по длинам волн, ведь поглощение волн также зависит от длин волн. Например, через красное стекло проходят волны, соответствующие красному свету по длине волны, а поглощаются все остальные.
Когда белый свет пропускается сквозь холодный, не излучающий газ, на фоне непрерывного спектра источника появляются тёмные линии. Газ интенсивно поглотит длины волн, которые он сам испускает в сильно нагретом состоянии.
Спектральный анализ
Наибольшее значение из всех видов спектров имею линейные, ведь их структура тесно связана со строением атома. Длины волн такого спектра зависят от свойств атомов исследуемого вещества, а не от способа возбуждения свечения атомов. Атомы каждого химического элемента дают свой индивидуальный спектр из определённого набора длин волн, непохожий на спектры других элементов.
Спектральный анализ – это метод определения химического состава вещества по его спектру. Он позволяет обнаружить любой элемент в составе сложного вещества, даже при незначительной массе. Спектральный анализ требует большой точности.
Сейчас у учёных и исследователей уже составлена таблица спектров, в которой представлены спектры всех атомов. Во время её составления были обнаружены многие химические элементы, например рубидий и цезий. Их названия соответствуют цвету основных линий их спектров: рубидий – тёмно-красный, рубиновый, цезий – небесно-голубой.
Этот метод анализа достаточно прост и универсален, поэтому его используют для контроля состава веществ в металлургии, машиностроении и атомной индустрии. Химический состав руд и минералов также определяется с помощью спектрального анализа.
Спектральный анализ проводится не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно так спектральный анализ позволил определить химических состав Солнца и других звёзд. Поверхность Солнца светится очень ярко, что даёт на экранах непрерывный спектр. Атмосфера Солнца избирательно поглощает этот свет, следовательно, на фоне непрерывного спектра появляются линии поглощения.
Однако атмосфера излучает и собственный свет. Таким образом, под спектральным анализом астрофизика подразумевает и определение химического состава небесных тел, и нахождение многих физических характеристик (температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции).
Линейчатые спектры.
Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет ярко желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. На спектроскопе также можно увидеть частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень
узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину.
Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.
Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн.
Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.
При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, наконец при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.
Полосатые спектры.
Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров 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 световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету см), и поглощает все остальные.
Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.
Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и столько же видов спектров поглощения.
Важно знать, из чего состоят окружающие нас тела. Изобретено много
способов определения их состава. Но состав звезд и галактик можно узнать только с помощью спектрального анализа.
Спектральный анализ и его применение
Линейчатые спектры играют особо 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 к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность «заглянуть» внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.
Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго-определенный набор длин волн.
На этом основан спектральный анализ — метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества если даже его масса не превышает Ю’ 10 . Это очень чувствительный метод.
Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных линий зависит 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 проводить и количественный спектральный анализ.
В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто 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 спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об
их легко можно отличить от Фраунгоферовых линий, хотя по существу и те и другие представляют собой следы лучей, задержанных растворами пигментов или накаленными парами или газами. Фраунгоферовы линии были открыты немецким ученым Фраунгофером в 1802 г. Они играют большую роль в целях ориентировки. Благодаря им весь спектр разделяется на -определенные участки, а это способствует определению места нахождения исследуемых полос или-линий. Определение длины волн, соответствующих разным цветным лучам, Фраунгофер произвел при помощи диффракционной решотки, и поэтому, наблюдая солнечный спектр по Фраунгоферовым линиям, можно определять не только место расположения полосы, но и самые длины ‘волн, выраженные в тц. С. а. был открыт в 1859 году Кирхгофом (Kirchhoi), и с тех пор область его применения все время расширяется. В последнее время ов стал находить себе применение в клин, лабораториях для исследования гл. обр. крови и мочи с диагностическими целями. Растворы кровяного пигмента—гемоглобина (НЬ)—способны поглощать нек-рые лучи, входящие! в состав белого солнечного луча, и поэтому при рассматривании в спектроскоп такого солнечного луча, прошедшего через раствор НЬ, мы будем наблюдать т. н. адсорпционный спектр, или спектр поглощения НЬ, т. е. наряду с узкими Фраунгоферовыми линиями мы будем видеть довольно широкие темные полоски в разных участках спектра шириной в 10—30 т/«, Для каждого пигмента имеются свои полосы поглощения и по этим полосам, по месту расположения их можно судить о наличии того или другого пигмента. Так напр, находящийся в нормальной крови здорового человека оксиге-моглобин дает спектр с 2 полосами поглощения I Я= 589—577 тц и IIЯ =556—536 тр. Чтобы получить этот спектр, необходимо кровь развести по крайней мере в 200 раз. При меньшем разведении обе полосы могут сливаться и давать одну сплошную полосу поглощения. Несомненно, при этом играет роль также ширина сосуда, в к-ром находится раствор крови. При прибавлении к этому раствору 1—2 капель зернистого аммония [(NH4)2S] картина изменится: получается спектр восстановленного, редуцированного НЬ с одной широкой полосой А =596—543 т/г. При отравлении окисью углерода в крови появляется пигмент карбоксигемоглобин, характеризующийся спектром с 2 полосами поглощения, сдвинутыми несколько в сторону фиолетового конца спектра, если сравнить его со спектром оксигемоглобина. Длина волн поглощенных лучей I А =579—564 и II А =548—530 т/г. При восстановлении сернистым аммонием этого раствора картина не должна изменяться в случае, если количество карбоксигемогло-бииа составляет 15 — 20% по Цимке (Ziemke) и 10% по Шумму (Schumm).—В случае отравления анилином в крови появляется пигмент метгемоглобин, дающий опять характерный спектр. Но чтобы его обнаружить, необходимо наблюдение производить на более густом растворе крови, примерно 0,1 смЗ крови в 0,5 смЗ Н20. При таком разведении в спектре появится характерная для метгемоглобина полоса поглощения в красном участке спектра с А =630—620
m/i. При разбавлении водой в желто-зеленом и зеленом участках спектра появятся еще 2 полосы, совпадающие с полосами оксигемоглобина, и наконец 4-я полоса, характерная для метгемоглобина, лежит между 518—486 m/i. Эта полоса мало заметная, а поэтому присутствие метгемоглобина в крови может быть установлено уже, как было сказано, по наличию полосы в «красном участке спектра.— При отравлении мышьяковистым водородом, а также и при других заболеваниях в крови могут произойти гемолиз кровяных шариков и в связи с гемолизом распад пигмента на гло-*бин и гемохромоген; но т. к. в плазме крови имеется большой избыток 02, то гемохромоген находится в состоянии окисления—в виде ге-матина, и при рассматривании этого пигмента в спектроскоп мы обнаружим полосу в красном *свете с А =640—630 т/г. В области желто-зеленого и зеленого цветов будут находиться также полосы поглощения, но характерной является полоса в красном свете. При прибавлении (NH4)2S гематин восстанавливается и превращается в гемохромоген с двумя полосами поглощения I А=565—554 и ИА=536—523 т/л. В случае, если полоса в красном свете обусловлена наличием метгемоглобина, то при восстановлении (NH4)2S получится спектр НЬ с 1 широкой полоской А =596—543 т/г, а не гемохро-могена с 2 полосами. Из пигментов, легко распознаваемых в спектроскопе, надо упомянуть еще об уробилине и порфирине. Последний встречается в незначительных количествах и в моче здоровых людей, но при нек-рых заболеваниях количество этого пигмента может быть значительно увеличено. Порфирин характеризуется спектром с полосами I А =597—587 т/г,
II А— тень около576—565 и III Я = 557 — 541 т/г. Получить его можно из мочи при свинцовом отравлении по методу Геррода, осадив из 200 смЗ мочи 40 смЗ 10%-ного NaOH (порфирин увлекается осаждающимися фосфатами). Промытый осадок растворяется затем в 0,5—1,0 смЗ 25%-ной НС1, и спектр поглощения рассматривается в спектроскоп. При отравлении сульфоналом, при врожденной порфиринурии в моче появляется порфирин, по спектру весьма похожий, но по хим. свойствам отличный от порфирина,—т. н. уропорфирин. Уробилин, встречающийся в моче при нек-рых заболеваниях, характеризуется спектром с широкой полосой поглощения А = 510 — 490 т/г. Для подобного анализа весьма удобным является карманный спектроскоп (см. Спектроскопия, спектроскоп). К. Лавровский. Спектральный анализ
биологический—чрезвычайно интересный и важный новый метод исследования тонкого метаболизма тканей и клеток, идущий- без нарушения их структуры. Применение биол. С. а. стало возможным благодаря открытию митогенетических лучей (см.). Удалось установить, что различные химические процессы, лежащие в основе возникновения этих лучей, качественно отличаются один от другого набором присущих им длин волн (линий). Так. обр. для каждого хим. источника излучения имеется свой характерный спектр. Исследуя источник митогенетического излучения, в настоящее время необходимо знать его спектр. Сравнивая полученную картину с уже
изученными шаблонами главных источников излучения (гликолиз, протеолиз, расщепление фосфорной кислоты и т. д.), удается в каждом конкретном случае выяснить характер процессов, лежащих в основе данного излучения. Сложные физиол. источники излучения оказались содержащими по существу целый набор простых хим. процессов—гликолитических, протеолитических и т. д. В дальнейшем выяснилось, что колебания спектральных картин чрезвычайно тонки и позволяют делать выводы, значение к-рых выходит далеко за пределы проблемы митогенеза, представляя существенное значение для физиологии, химии и др. дисциплин. Так, методом С. а. были установлены тонкие различия химизма нервного возбуждения , вызванного различными раздражителями— термическим, механическим и т. д.; совершенно своеобразный спектр получается в случае физиол. возбуждения. Спектрально отличается характер метаболизма в месте раздражения от места проведения и т. д. Нек-рые данные С. а. представляют интерес при решении ряда вопросов биологической и общей химии. Особый интерес представляет то обстоятельство, что т. н. вторичное излучениеХсм. Митогене-тические лучи) является резонантным, т. е. отвечает спектрально на спектр первичного облучения; очень важно отметить, что при монохроматическом воздействии достаточно одной линии данного спектра, чтобы вызвать вторично весь спектр в целом. Это явление, к изучению к-рого только сейчас приступают, представляет высокий теоретический интерес. Сама техника эксперимента чрезвычайно проста и сводится к тому, что исследуемый источник излучения располагается перед входной щелью кварцевого спектрографа, в выходной плоскости к-рого на местах, соответствующих различным длинам волн и отмечаемых особой шкалой, располагается детектор излучения—жидкая или твердая дрожжевая культура. По наличию или отсутствию эффекта в том или ином детекторе можно судить о присутствии различных линий спектра. Путем сличения с простейшими в хим. отношении источниками выясняется содержание данного спектра.
СПЕКТРОСКОПИЯ, СПЕКТРОСКОП. Спектроскопия — наблюдение спектра. Спектром называется цветная полоска (радуга), получаемая на экране при прохождении света через призму или через частую решотку, дифракционную оптическую сетку. Причина возникновения такой полоски (радуги) заключается в физ. свойствах белого солнечного луча при прохождении через призму расщепляться на составные лучи. Белый луч, как показал еще Ньютон в 1666 г.,—смешанный луч. Он состоит из лучей, окрашенных в различные цвета радуги и обладающих различными углами преломления при прохождении через стеклянную призму в связи с различной длиной их волны. Лучи с наименьшей длиной волны—фиолетовые—обладают наиболее сильным преломлением. Поэтому они будут располагаться в спектре в сторону к основанию призмы, тогда как лучи с наибольшей длиной волны—красные, обладающие менее сильным преломлением, упадут в сторону,
обращенную к вершине призмы. В промежутке между красными и фиолетовыми будут располагаться лучи, окрашенные в другие цвета, соответственно их преломлению, и полный сплошной спектр т. о. будет представлять ряд цветных полос, постепенно переходящих друг в друга в такой последовательности: фиолетовые, синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые и красные. Но это только видимая часть спектра, охватывающая лучи с длиной волны в пределах между 400 m/j, и 760 т/л,. По одну сторону видимого спектра располагаются лучи инфракрасные, обладающие большей длиной волны,—тепловые, по другую—ультрафиолетовые, обладающие меньшей длиной волны,— химические. Призмы из обыкновенного стёкла в значительной степени задерживают ультрафиолетовые лучи, призмы же из горного хрусталя или из исландского шпата пропускают их. Спектры, получаемые в результате разложения светового луча призмой, различаются между собой. Так, бывают спектры: сплошной, или непрерывный, когда цветная полоска представляет постепенный переход от одного цвета к другому (спектры твердых, накаленных до белого каления тел), линейчатый,или прерывный, когда вместо полоски мы имеем целый ряд линий, окрашенных в различные цвета (спектры светящихся паров или газов, напр. Не, Н, Hg), и спектр полосатый, состоящий из массы нерезких линий (наблюдается при свечении паров и хим. соединений). Общее их название—спектры испускания, излучения, или эмиссии. Если на пути лучей света, дающего сплошной спектр, поместить раствор веществ, способных поглощать какие-нибудь лучи, то на фоне сплошного спектра получаются темные полосы или отдельные линии соответственно тем длинам волн, к-рые данным промежуточным телом поглощаются. Спектр, наблюдаемый при этом, называется спектром поглощения, или абсорпцион-ным. Примером последнего служат: солнечный спектр, спектры кровяных пигментов—НЬ и его производных и др. Для наблюдения спектров имеется несколько приборов, к-рые называются спектроскопами. Спектроскопы бывают разных систем. Так, спектроскоп системы Кирхгофа и Бунзена состоит из трех труб, почему и называется трехтрубным. 1 -я труба—коллиматор, призма, 2-я зрительная труба Сс и 3-я труба с масштабом для измерений относительного расстояния
спектральных линий. Коллиматор в свою очередь состоит из узкой прямолинейной щели, расположенной в фокусе ахроматического собирательного стекла, так что луч света, прошедший через щель и упавший на собирательное стекло, после прохождения через него превращается в пучок параллельных лучей и в таком виде будет падать на призму спектроскопа. Призма—главная составная часть всякого призматического спектроскопа: белый луч благодаря ей разделяется на свои составные части в силу различных углов преломления этих лучей. В спектроскопах диффракционнкх разложение белого луча на цветную полоску осуществляется при помощи диффракционной решотки, находящейся в том же месте, где и призматическая призма. Спектры, получаемые от призмы и от решотки, различаются между собой. В то время как
спектр от призмы уплотнен в красной и желтой областях и сильно рассеян в областях голубых, синих и фиолетовых лучей, спектр диффракционный представляет картину более равномерного распределения лучей по длине всего спектра. Зрительная труба или окуляр содержит двояковыпуклое стекло и имеет своим назначением увеличивать размеры спектра. 3-я труба заключает в себе полупрозрачную линейку, на к-рой нанесены деления, выражающие длины световых волн в миллимикронах (т//). Эта линейка может передвигаться при помощи микрометрического винта. Передвижение линейки необходимо, прежде чем будут производиться наблюдения спектров, т. к. необходимо эту линейку правильно ориентировать по отношению к спектру, т. е. чтобы деление с цифрой 589 приходилось или правильнее совпадало с Фраунго-феровой линией В в желтом свете (см. Спектральный анализ). Прямой спектроскоп (a vision directe, Амичи призма), выпущенный Цейсом или Рейхертом (см. рисунок), р* называется так потому, что спектр наблюдается по прямому направлению. Это достигается тем, что одна призма обыкновенного спектроскопа заменена комбинацией из 5 призм, сложенных вместе таким образом, что основания у них обращены в противоположные стороны. Впереди призм у карманного спектроскопа С
Для чного 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 длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.
Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата. Исследуемое излучение поступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом — собирающая линза. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на призму.
Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии этой линзы располагается экран — матовое стекло или фотопластинка. Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.
Описанный прибор называется спектрографом. Если вместо второй линзы
и экрана используется зрительная труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называется спектроскопом. Призмы и другие детали спектральных аппаратов необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются и такие прозрачные материалы, как кварц, каменная соль и др.
Вы познакомились с новой величиной — спектральной плотностью интенсивности излучения. Узнали, что находится внутри кожуха спектрального аппарата.
Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа.
Сплошной и линейчатый спектр: что это и чем они отличаются
Сплошной и линейчатый спектр – это понятия, пришедшие из физики. В каждом случае предполагается анализ цветового наполнения определенной траектории и особенности взаимодействия молекул.
Сплошной и линейчатый спектр: важные отличия
- Сплошной спектр представляет собой все цвета радуги, которые способны равномерно переходить друг в друга. В результате они создают белый цвет, напоминающий солнечный.
- Линейчатый спектр излучает свет со специальными участками, которые соответствуют только определенным цветам. Предполагается отсутствие равномерности и риск искажения цветовой передачи.
Однако что же представляют собой сплошной и линейчатый спектр? Какой механизм образования в каждом случае задействован?
Линейчатый спектр: что это?
Линейчатый спектр состоит из отдельных монохроматических излучений, которые не способны примыкать друг к другу. Предполагается наличие внутриатомных процессов, в результате которых и образуются волны, отличающиеся своим уровнем интенсивности.
Возможные отличия линейчатых спектров друг от друга:
- Число включенных линий.
- Месторасположение.
- Степень интенсивности цветовой передачи.
Любой линейчатый спектр включает в себя отдельные светлые линии, разбросанные по разным сегментам одного спектра. Цвет любимой видимой линии обязательно соответствует определенному цвету этого же места в анализируемом сплошном спектре.
Линейчатый спектр может содержать в себе большое количество линий, располагаемых в следующих частях:
- Инфракрасная.
- Видимая.
- Ультрафиолетовая.
В то же время линии располагаются закономерно, поэтому хаоса не отмечается. Цветовые линии создают характерные группы, которые принято называть сериями.
Линейчатый спектр образуется излучением, которое испускают атомы. На этом этапе также нужно выделить отличие от полосатого спектра, который образуется излучением от молекул. Каждый вид атомов обладает уникальным спектром, основанным на специальных длинах волн. Эта особенность приводит к спектральному анализу веществ.
Линейчатый спектр любого элемента включает в себя спектральные линии, которые соответствуют лучам, исходящим от раскаленных паров и газов. Наличие подобных линий является характерным для любого обнаруживаемого элемента, поэтому можно проводить специальные анализы, исследования.
alt=»Спектр линейчатый» width=»750″ height=»92″ />
Линейчатые спектр – это строго индивидуальные свойства определенной молекулы, причем это оказывается справедливым для молекул разного состава и изомеров.
Линейчатый спектр включает в себя резко очерченные цветные линии, которые обязательно отделяются друг от друга широкими темными промежутками. В каждой группе предполагается максимальное сближение линий, благодаря чему предполагается возможность увидеть отдельную полосу интервала длин световых волн. Несмотря на это, линейчатые спектры могут излучаться только отдельными атомами, которые не вступают в какую-либо связь друг с другом, так как спектры химических элементов не способны совпадать. Данный нюанс предполагает, что все атомы определенного химического элемента обладают электронными оболочками одинакового строения, но электронные оболочки химических элементов будут обладать отличиями.
Если же линейный спектр образуется на основе некоторого химического элемента одноатомного газа, гарантируется более сложная структура. Один и тот же элемент может обладать разными цветовыми спектрами, так как они определяются способом возбуждения свечения. В любом случае для образования линейчатого спектра требуются специальные линии, которые соответствуют лучам, испускаемым парами, газами.
Линейчатые спектры представляют собой узкие разноцветные линии, разделенные темными промежутками. В то же время упорядоченность чередования обязательна.
Сплошной спектр: что это?
Сплошной (непрерывный) спектр – это цветовая палитра, которая представлена в виде одной сплошной полосы. Предполагается пропускание солнечного света через используемую призму. В сплошной полосе представлены все цвета, плавно переходящие один в другой.
По-другому видят спектры, если источником света являются светящиеся газы, отличающиеся незначительной плотностью. Подобные газы включают в себя изолированные атомы с минимальным взаимодействием. Свечения можно достигнуть, если нагреть газ до температуры около двухсот градусов Цельсия.
Цвет, спектр, взаимодействие атомов и молекул всегда взаимосвязаны, что подтверждает структурную последовательность физического мира.
Полосатые и линейчатые спектры
Если солнечный свет проходит через стеклянную призму либо дифракционную решетку, тогда появляется хорошо известный всем непрерывный спектр (рисунок 1 ).
Рисунок 1 . Непрерывный спектр
Спектр называют непрерывным, поскольку в нем есть все длины волн видимого диапазона, начиная от красной границы и заканчивая фиолетовой. Для нас непрерывный спектр предстает в виде разноцветной сплошной полосы.
Непрерывный спектр существует не только в солнечном излучении, но и, к примеру, в свете электрической лампы. Как оказалось, любое твердое и жидкое тело (и даже плотный газ), нагретое до высокой температуры, дает излучение непрерывного спектра.
Ситуация меняется при наблюдении свечения разреженных газов. Спектр перестает быть непрерывным, так как в нем возникают разрывы, которые увеличиваются по мере разрежения газа. В предельном случае чрезмерно разреженного атомарного газа спектр превращается в линейчатый, то есть состоящий из отдельных довольно тонких линий.
Рассмотрим 2 вида линейчатых спектров излучения: испускания и поглощения.
Спектр испускания
Допустим, газ состоит из атомов какого-то химического элемента и разрежен настолько, что атомы практически не взаимодействуют друг с другом. Раскладывая в спектр излучение данного газа (нагретого до довольно высокой температуры), мы наблюдаем примерно такую картину, как на рисунке 2 .
Рисунок 2 . Линейчатый спектр испускания
Данный линейчатый спектр, который образован тонкими изолированными цветными линиями, называют спектром испускания.
Всякий атомарный разреженный газ издает свет с линейчатым спектром. Кроме того, для всякого химического элемента спектр испускания уникальный, поскольку играет роль «удостоверения личности» данного элемента. Набор линий спектра испускания однозначно говорит, какой химический элемент перед нами.
Так как газ разрежен и атомы слабо взаимодействуют друг с другом, делаем заключение, что свет излучают атомы сами по себе. Поэтому атом характеризуется дискретным, строго определенным набором длин волн испускаемого света. Каждый химический элемент, как мы уже отметили, имеет свой набор.
Спектр поглощения
Атомы испускают свет, переходя из возбужденного состояния в основное. Однако вещество может не только испускать, но и поглощать свет. Атом, поглощий свет, совершает обратный процесс – преобразуется из основного состояния в возбужденное.
Вновь рассмотрим разреженный атомарный газ, но уже в холодном состоянии (то есть при довольно низкой температуре). Свечения газа происходить не будет, поскольку в не нагретом состоянии газ не излучает свет, атомов в возбужденном состоянии оказывается для этого очень мало.
Если сквозь холодный газ проходит свет с непрерывным спектром, тогда появляется картина, как на рисунке 3 .
Рисунок 3 . Линейчатый спектр поглощения
На фоне непрерывного спектра ниспадающего света возникают темные линии, образующие так называемый спектр поглощения.
Откуда эти линии появляются?
Под воздействием ниспадающего света атомы газа преобразуются в возбужденное состояние. Причем для возбуждения атомов пригодны не любые длины волн, а только некоторые, строго определенные для этой разновидности газа. Как раз эти длины волн газ и «забирает себе» из света.
Необходимо отметить, что газ изымает из непрерывного спектра точно те самые длины волн, которые издает сам! Темные линии в спектре поглощения газа точно соответствуют ярким линиям его спектра излучения. На рисунке 4 сопоставляются спектры испускания и поглощения разреженных паров натрия.
Рисунок 4 . Спектры поглощения и испускания для паров натрия
Совпадение линий впечатляет, не так ли?
Рассматривая спектры поглощения и испускания, ученые-физики XIX в. сделали вывод, что атом – это делимая частица и имеет некоторую внутреннюю структуру. На чем-то же должен работать механизм излучения и поглощения света внутри атома!
Помимо этого, уникальность атомных спектров означает то, что данный механизм различается у атомов различных химических элементов. Значит, атомы различных химических элементов должны отличаться по своей внутренней структуре.
Спектральный анализ
Применение линейчатых спектров как уникальных «паспортов» химических элементов заложено в спектральном анализе – методе исследования химического состава вещества по его спектру.
Идея спектрального анализа несложная: спектр излучения анализируемого вещества сопоставляется с эталонными спектрами химических элементов, после чего делается заключение о наличии или отсутствии того или иного химического элемента в этом веществе. При определенных обстоятельствах методом спектрального анализа определяют качественный и количественный состав химического элемента.
В конце наблюдения разных спектров появились новые химические элементы.
Первыми такими элементами были цезий и рубидий. Они были названы по цвету линий своего спектра (в спектре цезия ярко выражены 2 линии небесно-синего цвета, по-латыни называемого “caesius”; рубидий, в свою очередь, испускает 2 характерные линии рубинового цвета).
В 1868 -м г. в спектре солнечного света ученые обнаружены линии, не соответствующие ни одному из открытых на то время химических элементов. Новый элемент назвали гелием (от греческого “гелиос” означает “солнце”). В дальнейшем гелий обнаружили в атмосфере Земли.
Нужно отметить, что спектральный анализ излучения Солнца и звёзд показал: все входящие в их состав элементы имеются и на планете Земля. Таким образом, оказалось, что все объекты нашей Вселенной собраны из одного и того же химического набора.