ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ
— оптические спектры испускания и поглощения, состоящие из отдельных спектральных линий. Л. с. являются атомные спектры, спектры звёздных атмосфер (см. Фраунгофероеы линии), спектры органич. молекул при низких темп-pax в спец. условиях (см. Шполъского эффект). См. также ст. Спектральная линия.
Смотреть что такое «ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ» в других словарях:
ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ — см. Атомные спектры, Спектры оптические … Большой Энциклопедический словарь
ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ — спектры оптические, состоящие из отд. спектральных линий; типичны для свободных атомов. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия
линейчатые спектры — смотри Атомные спектры, Спектры оптические. * * * ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ, см. Атомные спектры (см. АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ), Спектры оптические (см. СПЕКТРЫ ОПТИЧЕСКИЕ) … Энциклопедический словарь
Линейчатые спектры — Спектры оптические, состоящие из отдельных спектральных линий (См. Спектральные линии), типичны для свободных атомов … Большая советская энциклопедия
ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ — см. Атомные спектры, Спектры оптические … Естествознание. Энциклопедический словарь
ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ — см. Спектр оптический … Большой энциклопедический политехнический словарь
Спектры оптические — спектры (См. Спектры оптические) электромагнитного излучения в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах шкалы электромагнитных волн (См. Электромагнитные волны). С. о. разделяют на спектры испускания (называемые также спектрами … Большая советская энциклопедия
спектры оптические — спектры электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 103 10 3 мкм. Различают спектры оптические испускания (эмиссионные, от источников света), поглощения (абсорбционные, получаются при прохождении света через вещество), рассеяния и отражения … Энциклопедический словарь
СПЕКТРЫ ОПТИЧЕСКИЕ — спектры эл. магн. излучения в ИК, видимом и УФ диапазонах шкалы электромагнитных волн. С. о. разделяют на спектры испускания (наз. также спектрами излучения, или эмиссионными спектрами), спектры поглощения (абсорбционные спектры), рассеяния и… … Физическая энциклопедия
СПЕКТРЫ ОПТИЧЕСКИЕ — спектры электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 103 10 3 мкм. Различают оптические спектры испускания (эмиссионные, от источников света), поглощения (абсорбционные, получаются при прохождении света через вещество), рассеяния и отражения … Большой Энциклопедический словарь
Физика. 11 класс
Конспект урока
Урок 19. Излучение и спектры
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
1) виды излучения и их источники;
2) спектры химических веществ, спектральный анализ;
3) практическое применение спектрального анализа;
4) спектральный аппарат;
4) шкала электромагнитных излучений.
Тепловое излучение – это излучение нагретых тел.
Спектры излучения представляют собой набор частот или длин волн, которые содержатся в излучении вещества.
Полосатый спектр представляет собой спектр, состоящий из отдельных полос, разделенных темными интервалами.
Темными линиями на фоне непрерывного спектра являются линии поглощения, которые вместе образуют спектр поглощения.
Шкала электромагнитных волн: низкочастотное излучение; радиоизлучение; инфракрасные лучи; видимый свет; ультрафиолетовые лучи; рентгеновские лучи; γ-излучение.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В. М. Физика. Учебник для образовательных организаций М.: Просвещение, 2014. С. 246 – 258.
Рымкевич А.П. Сборник проблем физики. 10-11 класс. – М.: Дрофа, 2014. С.143.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Электромагнитные волны излучаются ускоренно движущимися заряженными частицами. Излучение возникает также, когда атом переходит из возбужденного состояния в основное и во время распада ядра.
Источники излучений делятся на два класса: горячие и холодные.
Энергия атомам для излучения может также поступать и из нетепловых источников; например, переменный ток вызывает появление электромагнитного поля; излучение происходит и при переходе атома из возбуждённого состояния в основное, а также при распаде ядра.
Частотное распределение излучения характеризуется спектральной плотностью потока излучения.
3) Полосатый спектр представляет собой спектр, состоящий из отдельных полос, разделенных темными интервалами. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры образуются не атомами, а молекулами, которые не связаны или слабо связаны друг с другом. Темными линиями на фоне непрерывного спектра являются линии поглощения, которые вместе образуют спектр поглощения.
Атомы любого химического элемента дают спектр, непохожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго индивидуальный набор длин волн. Метод определения химического состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. В астрономии с его помощью определяют химический состав звёзд, планет, температуру и индукцию их полей и многие другие характеристики. Он также успешно используется в геологии, археологии, криминалистике, металлургии, атомной индустрии и многих других сферах деятельности.
В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров.
Механизмы образования всех электромагнитных излучений одинаковы, отличаются друг от друга методами получения и регистрации. Огромным достижением электромагнитной теории Максвелла было создание шкалы электромагнитных волн. Различают следующие области шкалы: низкочастотное излучение; радиоизлучение; инфракрасные лучи; видимый свет; ультрафиолетовые лучи; рентгеновские лучи; гамма-излучение.
3) Инфракрасное излучение представляет собой излучение с частотами в диапазоне от 3 ∙ 10ˡˡ до 3,75 ∙ 10ˡ⁴ Гц. Оно было обнаружено в 1800 году английским астрономом У. Гершелем при изучении красного конца спектра. Источником является любое нагретое тело. Применение: получают изображения предметов по излучаемому теплу; в приборах ночного видения (ночной бинокль); используют в криминалистике, медицине, промышленности для сушки цветных изделий, стен зданий, дерева, фруктов и т. д. Свойства: проходит через непрозрачные тела, а также через дождь, туман, снег; производит химическое действие на фотопластинки; нагревает вещество при поглощении.
Оказывается, так называемые черные дыры, которые имеют такое сильное притяжение, что даже легкие частицы света не могут их покинуть, также способны излучать. Под влиянием огромной гравитации в окрестностях черной дыры рождаются реальные частицы (и фотоны) из вакуума. Английский физик Стивен Хокинг установил, что спектр этого излучения такой же, как и у абсолютно черного тела.
Примеры и разбор решения заданий:
1. Ответьте на вопрос и выберите правильный ответ: «Сколько длин волн монохроматического излучения с частотой 500 ТГц укладывается на отрезке 30 см?»
Выражаем частоту излучения в герцах, учитывая, что 1ТГц = l∙10ˡ² Гц, ν = 500ТГц = 5∙10ˡ⁴ Гц. Длину выражаем в метрах: l = 30см = 0,3м. Записываем скорость электромагнитных излучений: c = 3∙10⁸м/с.
Находим длину волны: λ= с/ν = 3∙10⁸м/с /5∙10ˡ⁴ Гц = 6∙10⁻⁷ м.
Чтобы узнать, сколько длин волн укладывается на данном отрезке, надо длину отрезка разделить на длину волны: Ν = l / λ = 0,3м / 6∙10⁻⁷ м = 5∙10⁵ длин волн.
2. Вставьте пропущенные слова в предложения:
«Чем _____ температура тела, тем быстрее движутся в нём атомы. При их столкновении друг с другом часть _____ энергии идёт на возбуждение, затем атомы излучают и переходят в _______ состояние»
Варианты ответов: ниже, потенциальной, выше, основное, кинетической, возбуждённое.
Правильный вариант: Чем выше температура тела, тем быстрее движутся в нём атомы. При их столкновении друг с другом часть кинетической энергии идёт на возбуждение, затем атомы излучают и переходят в основное состояние.
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
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.
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.
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).
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.
Типы оптических спектров. Поглощение и испускание света атомами. Происхождение линейчатых спектров
Урок 48. Физика 9 класс
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, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
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.
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.
– 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.
