Типы оптических спектров. Поглощение и испускание света атомами. Происхождение линейчатых спектров
На данном видеоуроке мы с вами поговорим о типах оптических спектров. Рассмотрим, как происходит поглощение и испускание света атомами. А также поговорим о происхождение линейчатых спектров. Рассмотрим два постулата Бора и узнаем, где и зачем применяется спектральный анализ.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.
2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.
3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ
Конспект урока «Типы оптических спектров. Поглощение и испускание света атомами. Происхождение линейчатых спектров»
Мирозданье постигая, все познай, не отбирая:
Что — внутри, во внешнем сыщешь.
Так примите ж без оглядки
Мира внятные загадки.
В данной теме речь пойдёт о типах оптических спектров. Рассмотрим, как происходит поглощение и испускание света атомами. А также поговорим о происхождение линейчатых спектров.
В прошлой теме говорилось о дисперсии света. Дисперсия света — это зависимость показателя преломления среды и скорости света в нем от частоты световой волны.
В 1664–1668 гг. Исаак Ньютон провел серию опытов по изучению солнечного света и причин возникновения цветов с помощью стеклянной призмы. При разложении с помощью трёхгранной призмы белого света, т.е. света в видимом диапазоне, содержащего длины волн в диапазоне 380—760 нм, возникает радужная полоска, которую Ньютон назвал спектром.
В настоящее время для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма (которые использовал Ньютон), 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. 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, которая может быть изготовлена не только из стекла, но и кварца, соли и т.п.
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.
Спектральный состав излучений различных веществ весьма различен. Но многочисленные наблюдения и фотографии спектров показывают, что все спектры можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа, которые определяются состоянием светящегося объекта.
В опыте Ньютона, при пропускании солнечного света через призму, получали спектр в виде сплошной полосы. В ней были представлены все цвета, плавно переходящие один в другой. Такой спектр называется сплошным или непрерывным спектром.
Сплошные спектры излучаются раскаленными твердыми и жидкими веществами, а также газами, находящимися под большим давлением. Это указывает на то, что вид непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом. Основную роль в излучении играет возбуждение атомов и молекул при хаотическом движении этих частиц, обусловленное высокой температурой. Солнце дает сплошной спектр, так как его оболочка состоит из плазмы высокой плотности.
Второй тип спектров — это линейчатые спектры.
Линейчатым называют спектр, состоящий из отдельных резко очерченных цветных линий, отделенных друг от друга широкими темными промежутками.
Например, если внести в пламя газовой горелки кусочек поваренной соли, то пламя окрасится в желтый цвет, а в спектре будут видны две близко расположенные желтые линии, характерные для спектра паров натрия.
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.
Такие спектры получаются от светящихся атомарных газов или паров. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.
Линейчатые спектры различных химических элементов отличаются цветом, положением и числом отдельных светящихся линий.
И последний тип спектров — это полосатые спектры.
Они состоят 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.
Полосатые спектры излучаются отдельными возбужденными молекулами (молекулярный газ). Излучение вызвано как электронными переходами в атомах, так и колебательными движениями самих атомов в молекуле.
Все описанные выше спектры называются спектрами испускания, т.е. спектрами, получаемыми при разложении света, излученного самосветящимися телами.
Однако, кроме спектров испускания, существуют еще так называемые спектры поглощения.
Спектры поглощения получают, пропуская свет от источника, дающего сплошной спектр, через вещество, атомы и молекулы которого находятся в невозбужденном состоянии.
Спектры поглощения твердых и жидких тел обычно имеют вид широких темных полос, закрывающих часть сплошного спектра источника, а в случае атомарных газов или паров они состоят из отдельных черных линий, видимых на фоне сплошного спектра. Пропустив, например, свет от электрической лампы через сосуд с парами натрия, мы получим на сплошном спектре лампы две узкие черные линии в желтой области спектра как раз в том месте, где располагаются желтые линии в спектре испускания натрия. Другими словами, линии поглощения атомов натрия точно соответствуют его линиям испускания.
Совпадение частот линий испускания и поглощения можно наблюдать и в спектрах других элементов, например водорода и гелия.
В 1859 году на основе экспериментальных данных немецкий ученый Густав Роберт Кирхгоф сформулировал закон обратимости спектральных линий: линии поглощения соответствуют линиям испускания, т.е. атомы менее нагретого вещества поглощают из сплошного спектра как раз те частоты, которые они в других условиях испускают.
Спектр атомов каждого химического элемента уникален. Как не бывает двух людей с одинаковым дактилоскопическим узором, или окраской радужной оболочки глаз, или двух китов с одинаковой окраской хвостового плавника, так и не существует двух химических элементов, атомы которых излучали бы одинаковый набор спектральных линий.
Благодаря этому стало возможным появление метода спектрального анализа, разработанного в 1859 году Кирхгофом и его соотечественником немецким физиком Бунзеном. Спектральным анализом называют метод исследования химического состава различных веществ по их спектрам.
Анализ, проводимый по спектрам испускания, называют эмиссионным, а по спектрам поглощения — абсорбционным спектральным анализом.
В основе эмиссионного спектрального анализе лежат следующие факты:
1) Каждый элемент имеет свой спектр (отличается числом линий, их расположением и длинами волн), который не зависит от способов возбуждения.
2) Интенсивность спектральных линий зависит от концентрации элемента в данном веществе.
Для выполнения спектрального анализа вещества с неизвестным химическим составом необходимо осуществить две операции: заставить каким-то образом атомы этого вещества излучать свет с линейчатым спектром, затем разложить этот свет в спектр и определить длины волн наблюдаемых в нем линий. Сравнивая полученный линейчатый спектр с известными спектрами химических элементов таблицы Менделеева, можно определить, какие химические элементы имеются в составе исследуемого вещества. Путем сравнения интенсивности различных линий спектра можно определить и относительное содержание различных элементов в этом веществе.
Спектральный анализ выгодно отличается от химического анализа своей простотой, высокой чувствительностью, а также возможностью определять химический состав отдаленных тел, например звезд. Он используется для контроля состава вещества в металлургии, машиностроении и атомной индустрии. Этот метод применяется также в геологии, археологии, криминалистике и многих других сферах деятельности.В астрономии методом спектрального анализа определяют химический состав атмосфер планет и звезд, температуру звезд и магнитную индукцию их полей.
В процессе изучения и применения линейчатых спектров возникли различные вопросы, которые нельзя было объяснить в рамках классической механики Ньютона. Как, например, объяснить, почему атомы каждого химического элемента имеют свой строго индивидуальный набор спектральных линий? Почему совпадают линии излучения и поглощения в спектре данного элементы? Чем обусловлены различия в спектрах атомов разных элементов? Ответы на эти и многие другие вопросы удалось найти только в начале ХХ в. благодаря возникновению новой физической теории — квантовой механики. Одним из основоположником этой теории был датский физик Нильс Бор. Бор пришел к заключению, что свет излучается атомами вещества. В связи с этим в 1913 г. он сформулировал два постулата:
Первый постулат (его еще называют постулатом стационарных состояний) гласит, что атомная система может находиться только в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия, находясь на которых атом не излучает и не поглощает энергии.
Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. При движении по стационарным орбитам электроны не излучают электромагнитные волны, несмотря на ускоренное движение. В каждом стационарном состоянии атом обладает определенным квантовым значением энергии.
Второй постулат (или правило частот) гласит, что при переходе атома из одного стационарного состояния в другое излучается или поглощается квант энергии.
Атомы излучают и поглощают энергию дискретными порциями — квантами, значение которых равно разности энергии тех стационарных состояний, между которыми происходит данный переход.
Состояние атома, в котором все электроны находятся на стационарных орбитах с наименьшей возможной энергией, называется основным. Все другие состояния атома называются возбужденными. У атомов каждого химического элемента имеется свой характерный набор энергетических уровней. Поэтому переходу с более высокого энергетического уровня на более низкий будут соответствовать характерные линии в спектре испускания, отличные от линий в спектре другого элемента.
Совпадение линий излучения и поглощения в спектрах атомов данного химического элемента объясняется тем, что частоты волн, соответствующих этим линиям, а спектре, определяются одними и теми же энергетическими уровнями. Поэтому атомы могут поглощатьсвет только тех частот, которые они способны излучать.
Основные выводы:
– Все спектры испускания можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа, которые определяются состоянием светящегося объекта.
– Сплошной спектр. Сплошной спектр представляет собойсплошную полосу, в которой все цвета, плавно переходят один в другой.
– Линейчатый спектр. Линейчатым называют спектр, состоящий из отдельных резко очерченных цветных линий, отделенных друг от друга широкими темными промежутками.
– Полосатый спектр. Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками.
– Для изучения спектров использую специальные приборы, которые называются спектральными — это приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра.
– Из опыта следует, что атомы могут поглощать свет только тех частот, которые они способны излучать. Это утверждение носит название закона обратимости спектральных линий.
– Спектральный анализ — это метод исследования химического состава различных веществ по их спектрам.
– В процессе изучения и применения линейчатых спектров возникли различные вопросы, ответы на которые дал Нильс Бор в 1913 году, сформулировав два постулата.
– Первый постулат (постулат стационарных состояний) гласит, что атомная система может находиться только в особых стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия, находясь на которых атом не излучает и не поглощает энергии.
– Второй постулат (или правило частот) гласит, что при переходе атома из одного стационарного состояния в другое излучается или поглощается квант энергии.
Спектры. Спектральный анализ
Свечение тел и поглощение ими электромагнитного излучения тесно связано с явлениями, происходящими в атомах и молекулах. По этой причине изучение спектров излучения и поглощения является важным средством познания химического состава, структуры и свойств вещества.
По внешнему виду выделяют три основных типа спектров: линейчатые, полосатые и сплошные. По способу получения различают спектры испускания (эмиссионные спектры) и спектры поглощения (абсорбционные спектры).
Линейчатые спектры испускания состоят из отдельных цветных узких участков, разделенных темными промежутками. Каждому такому участку (линии) соответствует одна определённая длина волны. Они появляются в результате электронных переходов внутри не взаимодействующих друг с другом атомов и ионов различных элементов. Линейчатые спектры дают разрежённые газы или пары в атомарном состоянии. Изучение линейчатых спектров показало, что каждый химический элемент имеет свой характерный линейчатый спектр, отличающийся от спектров других элементов числом линий, их цветом и взаимным расположением.
Полосатые спектры представляют собой совокупность более или менее узких цветных участков (полос), разделенных темными промежутками. Применяя спектральные приборы с высокой разрешающей способностью, можно наблюдать, что полосы состоят из ряда отдельных тесно расположенных линий. Полосатые спектры характерны для отдельных молекул и становятся всё более сложными с увеличением числа атомов в них. Взаимодействие атомов изменяет структуру энергетических уровней. Кроме электронных, у молекул появляются дополнительные энергетические подуровни, связанные с колебательным движением ядер атомов около положения равновесия и вращательным движением молекул. Переходы электронов на эти подуровни и обуславливают структуру полос. Полосатые спектры дают разрежённые газы или пары в молекулярном состоянии.
Раскаленные твердые и жидкие тела, а так же газы под высоким давлением дают сплошной спектр, в котором цвета постепенно переходят один в другой. Сплошные спектры – это результат взаимодействия между собой молекул и ионов. Примером сплошного спектра является спектр белого света.
Спектры поглощения получают, пропуская белый свет через исследуемое вещество (газ, пар, раствор). При этом определённые длины волн будут поглощаться средой более интенсивно, чем другие. В результате на фоне сплошного спектра появляются темные линии (или полосы), характерные для данного вещества. Опыты показывают, что линии поглощения всегда точно соответствуют линиям (или полосам) спектра испускания исследуемой среды. Это происходит в соответствии с законом Кирхгофа: вещество поглощает только те длины волн, которые само может испускать. Этим законом объясняется возникновение темных линий (линий Фраунгофера), наблюдаемых в спектре солнечного излучения. Они всегда занимают одно и тоже положение и в основном представляют собой линии поглощения паров и газов, образующих атмосферу Солнца.
Спектры являются источником самой разнообразной информации о веществе. Методами качественного и количественного (по интенсивности линий) анализа определяют химический состав вещества, строение атомов и молекул, характер межмолекулярного взаимодействия, структуру энергетических уровней, подвижности отдельных частей больших молекул и т.д.
Метод определения химического состава вещества называется качественным спектральным анализом. Точное расположение линий в спектре излучения каждого элемента приводится в специальных таблицах спектральных линий. Для определения содержания элементов с низкой энергией возбуждения (2 ÷ 4эВ) используют фотометрию пламени (рис.1).
Свет от пламени, в которое введена проба, пропускают через светофильтр СФ, имеющий узкую полосу пропускания Δλ в спектральной области, соответствующей искомому элементу. Далее свет направляют на фотоэлемент, соединенный с чувствительным гальванометром. Имея набор сменных светофильтров, можно изучить различные участки спектра и установить, присутствует ли в пробе тот или иной элемент. Этим способом с большой точностью определятся наличие в пробе щелочных и щелочноземельных элементов, марганца, хрома и др. Фотометрия пламени применяется для анализа природных вод, биологических жидкостей, химических удобрений, медицинских препаратов.
Методы количественного спектрального анализа по интенсивности свечения линий позволяют определять присутствие даже очень малого количества химического элемента в пробе (10 -6 – 10 -10 г).
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Презентация «Спектры и спектральный анализ»
- Это спектры, содержащие все длины волны определенного диапазона.
- Излучают нагретые твердые и жидкие вещества, газы, нагретые под большим давлением.
- Одинаковы для разных веществ, поэтому их нельзя использовать для определения состава вещества
Линейчатый спектр
- Состоит из отдельных линий разного или одного цвета, имеющих разные расположения
- Испускается газами, парами малой плотности в атомарном состоянии
- Позволяет по спектральным линиям судить о химическом составе источника света
Полосатый спектр
- Состоит из большого числа тесно расположенных линий
- Дают вещества, находящиеся в молекулярном состоянии
Спектры поглощения
- Это совокупность частот, поглощаемых данным веществом. Вещество поглощает те линии спектра, которые и испускает, являясь источником света
- Спектры поглощения получают, пропуская свет от источника, дающего сплошной спектр, через вещество, атомы которого находятся в невозбужденном состоянии
Спектр метеора
Навести очень большой телескоп на короткую вспышку метеора на небе почти невозможно. Но 12-го мая 2002 года астрономам повезло — яркий метеор случайно пролетел как раз там, куда была направлена узкая щель спектрографа на обсерватории Паранал. В это время спектрограф исследовал свет.
Спектральный анализ
- Метод определения качественного и количественного состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. Спектральный анализ широко применяется при поисках полезных ископаемых для определения химического состава образцов руды. С его помощью контролируют состав сплавов в металлургической промышленности. На его основе был определен химический состав звезд и т.д.
Спектроскоп
- Для получения спектра излучения видимого диапазона используется прибор, называемый спектроскопом , в котором детектором излучения служит человеческий глаз.
Устройство спектроскопа
В спектроскопе свет от исследуемого источника 1 направляется на щель 2 трубы 3 , называемой коллиматорной трубой. Щель выделяет узкий пучок света. На втором конце коллиматорной трубы имеется линза, которая расходящийся пучок света преобразует в параллельный. Параллельный пучок света, выходящий из коллиматорной трубы, падает на грань стеклянной призмы 4 . Так как показатель преломления света в стекле зависит от длины волны, то параллельный поэтому пучок света, состоящий из волн разной длины, разлагается на параллельные пучки света разного цвета, идущие по разным направлениям. Линза 5 зрительной трубы фокусирует каждый из параллельных пучков и дает изображение щели в каждом цвете. Разноцветные изображения щели образуют разноцветную полосу — спектр.
ТИПЫ СПЕКТРОМЕТРОВ
Эмиссионный спектрометр для анализа свинцовых и алюминиевых сплавов.
Лазерно-искровой спектрометр (ЛИС-1)
- Спектр можно наблюдать через окуляр, используемый в качестве лупы. Если нужно получить фотографию спектра, то фотопленку или фотопластинку помещают в том месте, где получается действительное изображение спектра. Прибор для фотографирования спектров называется спектрографом.
- Новый спектрограф NIFS готовится к отправке в обсерваторию Gemini North (фото с сайта www.mso.anu.edu.au)
Типы спектрографов
Спектрограф/монохроматор средней мощности
Спектрограф HARPS
Спектральная чувствительность глаза человека
5. Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов
Излучение какого тела является тепловым?
Лампа дневного света
1. Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов:
Исследователь с помощью оптического спектроскопа в четырех наблюдениях видел разные спектры. Какой из спектров является спектром теплового излучения?
2. Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов
На рисунке приведен спектр поглощения неизвестного газа и спектры поглощения паров известных металлов. По анализу спектров можно утверждать, что неизвестный газ содержит атомы
только азота (N) и калия (К)
только магния (Mg) и азота (N)
азота (N), магния (Mg) и другого неизвестного вещества
магния(Mg), калия (К) и азота (N)
3. Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов
Для каких тел характерны полосатые спектры поглощения и испускания?
Для нагретых твердых тел
Для нагретых жидкостей
Для разреженных молекулярных газов
Для нагретых атомарных газов
Для любых перечисленных выше тел
6. Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов
На рисунке приведен спектр поглощения неизвестного газа и спектры поглощения атомов известных газов. По анализу спектров можно утверждать, что неизвестный газ содержит атомы:
водорода (Н), гелия (Не) и натрия (Na)
только натрия (Na) и водорода (Н)
только натрия (Na) и гелия (Не)
только водорода (Н) и гелия (Не)
4. Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов
Для каких тел характерны линейчатые спектры поглощения и испускания?
Для нагретых твердых тел
Для нагретых жидкостей
Для разреженных молекулярных газов
Для нагретых атомарных газов
Для любых перечисленных выше тел
-80%
Инструкция
Распаечная или распаячная коробка как правильно
- автор: admin
- 27.07.2023
Распаечная или распаячная коробка, как правильно? На сайтах продавцов уживаются оба варианта. Койка — коЕчный, стойка — стоЕчный, распайка — распаЕчный. См. любой словарь русского… Подробнее » Распаечная или распаячная коробка как правильно
Противопожарное узо 100 или 300 какое выбрать
- автор: admin
- 27.07.2023
Применение противопожарного УЗО для защиты проводки от возгорания Проблемы с проводкой часто становятся причиной возгорания. Старые кабели особенно подвержены ухудшению изоляционных свойств, которое приводит к… Подробнее » Противопожарное узо 100 или 300 какое выбрать
Протекает чаша блендера что делать
- автор: admin
- 27.07.2023
Ремонт блендеров Блендеры — их могут называть соковыжималками, размельчителями, кухонными комбайнами и т. п. — эффективно превращают твердые пищевые продукты в кашицу или жидкость в… Подробнее » Протекает чаша блендера что делать
Разболталось гнездо зарядки телефона что делать
- автор: admin
- 27.07.2023
Не работает гнездо зарядки телефона что делать Длительная или неправильная эксплуатация разъема для зарядки телефона может привести к его поломке. В такой ситуации существует 2… Подробнее » Разболталось гнездо зарядки телефона что делать
Рабочий ток что это
- автор: admin
- 27.07.2023
Что такое номинальный ток в электротехнике Толковый словарь русского языка академика Ожегова объясняет значение слова «номинальный», как обозначенный, называющийся, но не исполняющий своих обязанностей, назначения,… Подробнее » Рабочий ток что это