Неперервний та лінійчатий спектри. Спектри поглинання та випромінювання. Спектральний аналіз та його застосування
Жоден з джерел не дає монохроматичного світла, тобто світла строго певної довжини хвилі. У цьому нас переконують досліди по розкладанню світла в спектр за допомогою призми, а також досліди по інтерференції і дифракції. Та енергія, яку несе з собою світло від джерела, певним чином розподілена по хвилях всіх довжин хвиль (або частотам), що входять до складу світлового пучка.
Спектральний склад випромінювання речовин різноманітний. Але, не дивлячись на це, всі спектри, як показує дослід, можна розділити на три види.
- Безперервні спектри. Сонячний спектр або спектр дугового ліхтаря є безперервним. Це означає, що в спектрі представлені хвилі всіх довжин хвиль. У спектрі немає розривів, і на екрані спектрографа можна бачити суцільну різноколірну смугу.
Розподіл енергії по частотам, тобто спектральна щільність інтенсивності випромінювання, для різних тіл різний.
- Безперервні (або суцільні) спектри, як показує дослід, дають тіла, що знаходяться в твердому або рідкому стані, а також сильно стислі гази. Для здобуття безперервного спектру потрібно нагрівати тіло до високої температури. Характер безперервного спектру і сам факт його існування не лише визначаються властивостями окремих випромінюючих атомів, але і в сильній мірі залежать від взаємодії атомів один з одним. Безперервний спектр дає також високотемпературна плазма. Електромагнітні хвилі випромінюються плазмою в основному при зіткненнях електронів з іонами.
- Лінійчаті спектри. Внесемо до блідого полум'я газового пальника шматочок азбесту, змочений розчином звичайної куховарської солі. При спостереженні полум'я в спектроскоп побачимо, як на фоні ледве помітного безперервного спектру полум'я спалахне яскрава жовта лінія. Цю жовту лінію дають пари натрію, які утворюються при розщеплюванні молекул куховарської солі в полум'ї. Наявність лінійчатого спектру означає, що речовину випромінює світло лише сповна певних довжин хвиль (точніше, в певних дуже вузьких спектральних інтервалах). Кожна лінія має кінцеву ширину.
Лінійчаті спектри дають всі речовини в газоподібному атомарному (але не молекулярному) стані. В цьому випадку світло випромінюють атоми, які практично не взаємодіють один з одним. Це найфундаментальніший, основний тип спектрів. Ізольовані атоми випромінюють світло строго певних довжин хвиль. Зазвичай для спостереження лінійчатих спектрів використовують свічення пари речовини в полум'ї або свічення газового розряду в трубці, наповненій досліджуваним газом. При збільшенні щільності атомарного газу окремі спектральні лінії розширюються, і, нарешті, при дуже великому стискуванні газу, коли взаємодія атомів стає істотною, ці лінії перекривають один одного, утворюючи безперервний спектр.
- Смугасті спектри. Смугастий спектр складається з окремих смуг, розділених темними проміжками. За допомогою дуже хорошого спектрального апарату можна виявити, що кожна смуга представляє собою сукупність великого числа дуже тісно розташованих ліній. На відміну від лінійчатих спектрів смугасті спектри утворюються не атомами, а молекулами, не зв'язаними або слабо зв'язаними один з одним. Для спостереження молекулярних спектрів так само, як і для спостереження лінійчатих спектрів, використовують свічення пари речовини в полум'ї або свічення газового розряду.
- Спектри поглинання. Всі речовини, атоми яких знаходяться у збудженому стані, випромінюють світлові хвилі. Енергія цих хвиль певним чином розподілена по довжинах хвиль. Поглинання світла речовиною також залежить від довжини хвилі. Так, червоне скло пропускає хвилі, відповідні червоному світлу ( 8 • 10-5 см), і поглинає всі інші. Якщо пропускати біле світло крізь холодний, не випромінюючий газ, то на тлі безперервного спектру джерела з'являються темні лінії. Газ поглинає найінтенсивніше світло саме тих довжин хвиль, які він сам випускає в сильно нагрітому стані. Темні лінії на тлі безперервного спектру — це лінії поглинання, утворюючі в сукупності спектр поглинання.
Існують безперервні, лінійчаті і смугасті спектри випромінювання і стільки ж видів спектрів поглинання.
Лінійчаті спектри мають велике значення, тому що їх структура тісно пов'язана з будовою атома. Головна властивість лінійчатих спектрів в тому, що довжини хвиль (або частоти) лінійчатого спектру речовини залежать лише від властивостей атомів цієї речовини, але абсолютно не залежать від способу збудження свічення атомів. Атоми будь-якого хімічного елементу дають спектр, не схожий на спектри всіх інших елементів: вони здатні випромінювати строго певний набір довжин хвиль.
На цьому і заснований спектральний аналіз— метод визначення хімічного складу речовини по його спектру. Подібно до відбитків пальців у людей, лінійчаті спектри різних елементів мають неповторну індивідуальність. Неповторність узорів на шкірі пальця допомагає часто знайти злочинця. Так само завдяки індивідуальності спектрів є можливість визначити, з яких елементів складається тіло. За допомогою спектрального аналізу можна виявити даний елемент у складі складної речовини, якщо навіть його маса не перевищує 10-10 р. Це дуже чутливий метод. Кількісний аналіз складу речовини по його спектру утруднений, оскільки яскравість спектральних ліній залежить не лише від маси речовини, але і від способу збудження свічення. Так, при низьких температурах багато спектральних ліній взагалі не з'являються. Проте при дотриманні стандартних умов збудження свічення можна проводити і кількісний (а не лише якісний) спектральний аналіз.
В даний час визначені спектри всіх атомів і складені таблиці спектрів. За допомогою спектрального аналізу було відкрито багато нових елементів: рубідій, цезій і ін. Елементам часто давали назви відповідно до кольору найбільш інтенсивних ліній їх спектрів. Рубідій дає темно-червоні, рубінові лінії. Слово цезій означає «небесно-блакитною». Це колір основних ліній спектру цезію.
Саме за допомогою спектрального аналізу взнали хімічний склад Сонця і зірок. Інші методи аналізу тут взагалі неможливі. Виявилось, що зірки складаються з тих же самих хімічних елементів, які є і на Землі. Цікаво, що гелій спочатку відкрили на Сонці і лише потім в атмосфері Землі. Назва цього елементу нагадує про історію його відкриття: слово гелій означає «сонячний».
Завдяки порівняльній простоті і універсальності спектральний аналіз є основним методом контролю складу речовини в металургії, машинобудуванні, атомній індустрії. За допомогою спектрального аналізу визначають хімічний склад руд і мінералів. Склад складних, головним чином органічних, сумішей аналізується по їх молекулярних спектрах. Спектральний аналіз можна проводити не лише по спектрах випускання, але і по спектрах поглинання. Саме лінії поглинання в спектрі Сонця і зірок дозволяють досліджувати хімічний склад цих небесних тіл. Поверхня, що яскраво світиться (Сонця (фотосфера — дає безперервний спектр. Сонячна атмосфера поглинає вибірково світло від фотосфери, що приводить до появи ліній поглинання на фоні неперервного спектру фотосфери. Але і сама атмосфера Сонця випромінює світло. Під час сонячних затемнень, коли сонячний диск закритий Місяцем, відбувається «звернення» ліній спектру. На місці ліній поглинання в сонячному спектрі спалахують лінії випромінювання. У астрофізиці під спектральним аналізом розуміють не лише визначення хімічного складу зірок, газових хмар і т. д., але і методи знаходження але спектрам багатьох інших фізичних характеристик цих об’єктів: температури, тиску, швидкості руху, магнітної індукції. Розроблено багато способів визначення складу тіл, що оточують нас. Але склад зірок і галактик можна взнати лише за допомогою спектрального аналізу.
Прилади, які використовують для спектрального аналізу, називають спектрографами.
Спектральний аналіз має низку переваг і є одним із найбільш чутливих методів дослідження речовин:
· сама речовина не потрібна, потрібне лише випромінювання від неї.
· для проведення досліду потребує дуже мало часу;
· для досліду потрібна дуже мала маса речовини.