как выглядит сплошной спектр какие тела дают сплошной спектр приведите примеры
Линейчатые спектры
теория по физике 🧲 оптика
Если пропустить солнечный свет через стеклянную призму или дифракционную решётку, то на экране получится хорошо известный нам спектр. Спектр, который вы видите ниже, называется непрерывным спектром. Он представляет собой сплошную полосу, состоящую из разных цветов, плавно переходящих друг в друга.
Непрерывный (сплошной) спектр — разновидность спектра, в которой присутствуют все длины волн видимого диапазона (от красной границы до фиолетовой).
Излучения, обладающие непрерывным спектром:
Пример №1. Будет ли излучать свет в непрерывном спектре спираль работающей электроплиты?
В данном случае да, поскольку спирать — твердое тело, нагретое до высокой температуры.
Линейчатый спектр и его виды
Картина резко меняется, когда мы наблюдаем свечение, излучаемое разреженными газами. Спектр перестает быть непрерывным: в нём появляются разрывы, которые увеличиваются по мере разрежения газа. В предельном случае чрезвычайно разреженного атомарного газа спектр становится линейчатым.
Линейчатый спектр — спектр, который состоит из отдельных достаточно тонких линий.
Линейчатый спектр бывает двух видов:
Спектр испускания
Предположим, что газ состоит из атомов некоторого химического элемента и разрежен настолько, что атомы почти не взаимодействуют друг с другом. Раскладывая в спектр излучение такого газа (нагретого до очень высокой температуры), мы сможем наблюдать такую картину, как на картинке ниже.
Спектр испускания — линейчатый спектр, который состоит из тонких изолированных разноцветных линий, соответствующих тем длинам волн света, который излучается атомами.
Любой атомарный разреженный газ излучает свет с линейчатым спектром. Но наибольшую важность имеет то, что для любого химического элемента спектр испускания является уникальным. Поэтому по нему можно устанавливать, какой химический элемент находится перед нами. Он является своего рода идентификатором.
Поскольку газ разрежен и атомы мало взаимодействуют друг с другом, мы можем сделать следующий вывод:
Свет излучают атомы сами по себе. Следовательно, каждый атом характеризуется дискретным, строго определённым набором длин волн излучаемого света. У каждого химического элемента этот набор свой.
Спектр поглощения
Атомы излучают свет в процессе перехода из возбуждённого состояния в основное. Но вещество может не только излучать, но и поглощать свет. При поглощении света атом совершает обратный процесс — он переходит из основного состояния в возбуждённое.
Снова рассмотрим разреженный атомарный газ, но теперь в охлажденном состоянии (при довольно низкой температуре). Свечения газа в этом случае мы не увидим. В не нагретом состоянии газ не излучает свечение, так как атомов в возбуждённом состоянии оказывается для этого слишком мало.
Если сквозь охлажденный газ пропустить свет с непрерывным спектром, мы увидим следующую картину (см. рисунок ниже).
Спектр поглощения — темные линии на фоне непрерывного спектра, соответствующие тем длинам волн света, которые поглощаются атомами и излучаются впоследствии при сильном нагревании.
Объясним, откуда берутся темные линии. Под действием падающего света газовые атомы переходят в возбуждённое состояние. При этом оказывается, что для возбуждения атомов нужны не любые длины волн, а лишь некоторые, строго определённые для данного вида газа. Именно эти длины волн газ поглощает из падающего на него света.
Внимание! Газ поглощает те длины волн, которые излучает сам. Поэтому, цветные линии на спектре испускания соответствуют темным линиям на спектре поглощения. Если их сложить, можно получить непрерывный спектр.
На рисунке ниже сопоставлены спектры испускания и поглощения разреженных паров натрия.
Глядя на спектры испускания и поглощения, ученые XIX века пришли к выводу, что атом не является неделимой частицей и обладает некоторой внутренней структурой. Ведь что-то внутри атома должно обеспечивать процессы излучения и поглощения света.
Кроме того, уникальность атомных спектров говорит о том, что этот механизм различен у атомов разных химических элементов. Поэтому атомы разных химических элементов должны отличаться по своему внутреннему устройству.
Спектральный анализ
Использование линейчатых спектров в качестве идентификаторов химических элементов лежит в основе спектрального анализа.
Спектральный анализ — метода исследования химического состава вещества по его спектру.
Идея спектрального анализа заключается в следующем. Спектр излучения исследуемого вещества сопоставляется с эталонными спектрами химических элементов. Затем делается вывод о присутствии или отсутствии различных химических элементов в исследуемом образце. При определённых условиях посредством спектрального анализа можно определить химический состав не только качественно, но и количественно.
В результате наблюдения различных спектров были открыты новые химические элементы. Первыми из таких элементов были цезий и рубидий. Названия эти элементы получили по цвету линий своего спектра. Так, в спектре цезия больше всего выражены две линии небесно-синего цвета, который на латинском языке звучит как caesius. Рубидий же даёт две отчетливые линии рубинового цвета.
В 1868 году в спектре солнечного света были обнаружены линии, не соответствующие ни одному из известных химических элементов. Этот элемент был назван гелием (от греческого гелиос — солнце). Впоследствии гелий был найден в атмосфере нашей планеты. Спектральный анализ излучения Солнца и других звезд показал, что все входящие в их состав входят элементы имеются и на Земле. Таким образом, оказалось, что все объекты Вселенной собраны из одного и того же набора элементов.
Пример №2. Какую картинку можно получить, если провести спектральный анализ вещества, состоящего из двух химических элементов?
Спектры испускания и спектры поглощения будут накладываться друг на друга. В итоге можно будет получить спектр испускания, в котором будут присутствовать все длины волн, соответствующие тем, что испускаются первым и вторым химическим элементом. В спектре поглощения эти же длины волн будут отсутствовать.
На рисунке приведены спектр поглощения неизвестного газа и спектры поглощения атомарных паров известных элементов. По виду спектров можно утверждать, что неизвестный газ содержит атомы
а) азота (N), магния (Mg) и другого неизвестного вещества
в) только магния (Mg)
г) только магния (Mg) и азота (N)
Алгоритм решения
Решение
Если спектр поглощения неизвестного газа содержит все линии, которые есть на спектре известного элемента, то этот газ содержит этот элемент.
Видно, что спектр поглощения неизвестного газа включает в себя все линии, которые есть в спектре поглощения магния. Следовательно, этот газ содержит магний.
Видно, что спектр поглощения неизвестного газа включает в себя все линии, которые есть в спектре поглощения азота. Следовательно, этот газ также содержит азот.
Но кроме линий, соответствующих азоту и магнию, на спектре поглощения газа наблюдаются другие линии. Следовательно, газ содержит как минимум еще один элемент.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
На рисунке приведены спектр поглощения разреженных атомарных паров неизвестного вещества (в середине) и спектры поглощения паров известных элементов (вверху и внизу). По анализу спектров можно утверждать, что неизвестное вещество содержит
а) только натрий (Na) и водород (Н)
б) только водород (Н) и гелий (Не)
в) водород (Н), гелий (Не) и натрий (Na)
г) натрий (Na), водород (H) и другие элементы, но не гелий (He)
Алгоритм решения
Решение
Если спектр поглощения неизвестного газа содержит все линии, которые есть на спектре известного элемента, то этот газ содержит данный элемент.
Видно, что спектр поглощения неизвестного вещества включает в себя все линии, которые есть в спектре поглощения водорода и натрия. Но линий, соответствующих спектру поглощения гелия, в нем нет. Следовательно, это вещество содержит водород, натрий, но не содержит гелий.
Кроме линий, соответствующих водороду и натрию, на спектре поглощения вещества наблюдаются другие линии. Следовательно, оно содержит как минимум еще один элемент.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
На рисунках А, Б и В приведены спектры излучения паров кальция Ca, стронция Sr и неизвестного образца.
Можно утверждать, что в неизвестном образце
а) не содержится стронция
б) не содержится кальция
в) содержатся кальций и ещё какие-то элементы
г) содержится только кальций
Алгоритм решения
Решение
Если спектр излучения неизвестного образца содержит все линии, которые есть на спектре излучения известного элемента, то этот образец содержит данный элемент.
Видно, что спектр излучения неизвестного образца включает в себя все линии, которые есть в спектре излучения стронция. Но линий, соответствующих спектру излучения кальция, в нем нет. Следовательно, этот образец не содержит кальций.
Кроме линий, соответствующих стронцию, на спектре излучения неизвестного образца наблюдаются другие линии. Следовательно, он содержит как минимум еще один элемент.
Из всех перечисленных утверждений верным является только одно — образец не содержит кальция.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Вопросы.
1. Как выглядит сплошной спектр?
Сплошной спектр представляет собой полосу, состоящую из всех цветов радуги, плавно переходящих друг в друга.
2. От света каких тел получается сплошной спектр? Приведите примеры.
Сплошной спектр получается от света твердых и жидких тел (нить электрической лампы, расплавленный металл, пламя свечи) с температурой несколько тысяч градусов Цельсия. Его также дают светящиеся газы и пары при высоком давлении.
3. Как выглядят линейчатые спектры?
Линейчатые спектры состоят из отдельных линий определенных цветов.
4. Каким образом можно получить линейчатый спектр испускания натрия?
Для этого можно внести в пламя горелки кусочек поваренной соли (NaCl) и наблюдать спектр через спектроскоп.
5. От каких источников света получаются линейчатые спектры?
Линейчатые спектры характерны для светящихся газов малой плотности.
6. Каков механизм получения линейчатых спектров поглощения (т.е. что нужно сделать, чтобы получить их)?
Линейчатые спектры поглощения получают при пропускании сквозь газы малой плотности свет от более яркого и более горячего источника.
7. Как получить линейчатый спектр поглощения натрия и как он выглядит?
Для этого надо пропустить свет от лампы накаливания через сосуд с парами натрия. В результате этого в сплошном спектре света от лампы накаливания появятся узкие черные линии, в том месте где находятся желтые линии в спектре испускания натрия.
8. В чем заключается суть закона Кирхгофа, касающегося линейчатых спектров излучения и поглощения?
Закон Киргофа гласит, что атомы данного элемента поглощают и излучают световые волны на одних и тех же частотах.
Вопросы § 50
Физика А.В. Перышкин
1.Как выглядит сплошной спектр? Какие тела дают сплошной спектр? Приведите примеры.
Сплошной спектр представляет собой полосу, состоящую из всех цветов радуги, плавно переходящих друг в друга.
Сплошной спектр получается от света твердых и жидких тел (нить электрической лампы, расплавленный металл, пламя свечи), с температурой несколько тысяч градусов Цельсия. Его также дают светящиеся газы и пары при высоком давлении.
2. Как выглядят линейчатые спектры? От каких источников света получаются линейчатые спектры?
Линейчатые спектры состоят из отдельных линий определенных цветов.
Линейчатые спектры характерны для светящихся газов малой плотности.
3. Каким образом можно получить линейчатый спектр испускания натрия?
Для этого надо пропустить свет от лампы накаливания через сосуд с парами натрия. В результате этого в сплошном спектре света от лампы накаливания появятся узкие черные линии, в том месте где находятся желтые линии в спектре испускания натрия.
4. Опишите механизм получения линейчатых спектров поглощения.
Линейчатые спектры поглощения получают при пропускании сквозь газы малой плотности свет от более яркого и более горячего источника.
5. В чём заключается суть закона Кирхгофа, касающегося линейчатых спектров испускания и поглощения?
Закон Киргофа гласит, что атомы данного элемента поглощают и излучают световые волны на одних и тех же частотах.
6. Что такое спектральный анализ и как он проводится?
Метод определения химического состава вещества по его линейчатому спектру называется спектральным анализом.
Исследуемое вещество в виде порошка или аэрозоля помещают в высокотемпературный источник света — пламя или электрический разряд, из-за чего оно переходит в состояние атомарного газа и у него возбуждаются атомы, которые испускают или поглощают электромагнитное излучение в строго определенном диапазонах частот. Затем полученную с помощью спектрографа фотографию спектра атомов анализируют.
По расположению линий в спектре узнают из каких элементов состоит данное вещество.
Сравнивая относительные интенсивности линий спектра оценивают количественное содержание элементов.
7. Расскажите о применении спектрального анализа.
Спектральный анализ применяется в металлургии, машиностроении, атомной индустрии, геологии, археологии, криминалистике и др. сферах. Особенно интересно использование спектрального анализа в астрономии, с помощью него определяют химический состав звезд и атмосфер планет, их температуру. По смещениям спектральных линий галактик научились определять их скорость.
Сплошной спектр как получить
Как выглядит сплошной спектр? Какие тела дают сплошной спектр? Приведите примеры. Как выглядят линейчатые спектры? От каких источников света получаются линейчатые спектры?
Каким образом можно получить линейчатый спектр испускания натрия? Опишите механизм получения линейчатых спектров поглощения. B чём заключается суть закона Кирхгофа, касающегося линейчатых спектров испускания и поглощения? Что такое спектральный анализ и как он проводится? Расскажите о применении спектрального анализа.
• Вопрос 1
Спектр в виде сплошной полосы. Все цвета плавно переходят один в другой. Сплошной спектр дают твердые тела, жидкости и газы при определенных условиях. Например, раскаленная нить накала осветительной лампы, свеча.
• Вопрос 2
Спектр в виде изолированных линий определенного цвета. Линейчатые спектры получают от газов малой плотности.
• Вопрос 3
Если внести в пламя спиртовки кусочек поваренной соли, то пламя окрасится в желтый цвет, а в спектре будут видны две близко расположенные желтые линии, характерные для спектра паров натрия.
• Вопрос 4
Если через сосуд с парами натрия пропустить свет от источника, температура которого выше температуры паров натрия. То пары натрия поглотят те же линии, которые излучали.
• Вопрос 5
Атомы данного элемента поглощают световые волны тех же самых частот, на которых они излучают.
• Вопрос 6
Спектральным анализом называется метод определения химического состава вещества по его линейчатому спектру. Для проведения спектрального анализа исследуемое вещество приводят в состояние атомарного газа и одновременно полученным атомам сообщают дополнительную энергию.
• Вопрос 7
Спектральный анализ применяют для определения химического состава звезд, в металлургии, в криминалистике. Также для определения температуры звезд, скорости их движения.
Спектр (от лат. spectrum — представление, образ) — является совокупностью каждого из значений любой физической величины, которая характеризует систему либо процесс.
Зачастую используют определения частотного спектра колебаний (например, электромагнитных), спектра энергий, импульсов и масс частиц. Спектр может быть непрерывным и дискретным (прерывистым).
Оптические спектры — это спектры электромагнитных излучений в ИК, видимом и UF диапазонах длин волн. Оптические спектры делятся на спектры испускания, спектры поглощения (абсорбционные спектры), спектры рассеяния и спектры отражения.
Оптические спектры получают от источников света при разложении их излучения по длинам волн λ (либо частотам v = c/ λ, либо волновым числам 1/λ =v/c, которые также обозначаются как v) при помощи спектральных приборов. Чтоб охарактеризовать распределение излучения по частотам, вводится спектральная плотность излучения I (v), которая равна интенсивности излучения I, которая приходится на единичный интервал частот (интенсивность излучения I является плотностью потока электромагнитного излучения, приходящегося на все частоты). Интенсивность излучения, которая приходится на маленький спектральный интервал Δv, равна I (v)Δv. Просуммировав подобные выражения по всем частотам спектра, получаем плотность потока излучения I.
Спектральный состав излучения веществ очень разнообразен, но несмотря на это, каждый спектр делится на 3 типа:
Непрерывные спектры, либо сплошные спектры, как видно из опытов, дают тела, которые находятся в твердом либо жидком состоянии, или очень сжатые газы. Что бы получить непрерывный спектр, тело необходимо нагреть до большой температуры.
Непрерывные спектры определяются не только излучательной способностью самих атомов, но в большой степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.
На рисунке вы видите кривую зависимости спектральной плотности интенсивности теплового излучения от частоты (спектр) тела с сильно черной поверхностью. У кривой есть максимум при частоте vmax, которая зависит от температуры тела. С увеличением температуры максимум энергии излучения сдвигается к большим частотам. Энергия излучения, которая приходится на очень маленькие (v → ) и очень большие (v → ∞) частоты, весьма мала. В сплошном спектре представлены каждая из длин волн.
Линейчатые спектры складываются из отдельных спектральных линий, это признак того, что вещество излучает свет конкретных длин волн в определенных, очень узких спектральных интервалах. Все линии имеют конечную длину.
Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В таком случае излучают атомы, которые не взаимодействуют друг с другом. Это фундаментальный, самый основной тип спектров.
Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн, характерные для данного типа атомов. Классическим примером линейчатого спектра является спектр атома водорода.
Спектральные закономерности в спектре атома водорода.
Каждая частота излучений атома водорода составляет ряд серий, каждая из которых образуется в процессе перехода атома в одно из энергетических состояний из всех верхних энергетических состояний, то есть состояний с большей энергией, используя терминологию спектроскопии — переходов электрона с верхних возбужденных уровней энергии на нижние уровни.
.
На рисунке а) вы можете увидеть переходы на 2-ой возбужденный энергетический уровень, которые составляют серию Бальмера, частоты излучения которой находятся в видимой области спектра. Серия имеет название по имени швейцарского учителя И. Бальмера, который еще в 1885 году основываясь на результатах экспериментов вывел формулу для определения частот видимой части спектра водорода:
R — постоянная Ридберга, которая определена из спектральных данных и позже вычисленная основываясь на теории атома Бора.
Что бы определить частоты излучения других серий атома водорода вместо двойки в знаменателе первой дроби в формуле необходимо подставить числа 1, 3, 4, 5.
Номера нижних энергетических уровней, при переходе на которые с верхних уровней излучаются соответствующие серии:
Полосатые спектры состоят из отдельных полос, которые разделены темными промежутками. При помощи весьма хорошего спектрального аппарата можно увидеть, что все полосы состоят из большого числа близко лежащих линий. Полосатые спектры излучают молекулы, которые не связаны либо слабо связаны друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров, как и для наблюдения линейчатых спектров, применяют свечение паров в пламени либо свечение газового разряда.
Спектры поглощения тоже делятся на 3 типа (сплошные, линейчатые и полосатые), что и спектры испускания. Поглощение света тоже зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, которые соответствуют красному свету (λ ≈ 8 · 10 – 5 см), и поглощает остальные.
Газ интенсивнее всех поглощает свет тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии.
Таким образом, если пропускать белый свет через холодный неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра излучения появятся темные линии. Это линии поглощения, которые образуют в совокупности спектр поглощения.
Атом излучает энергию дискретно то есть каждому переходу соответствует одна линия в спектре испускания.
получается что для получения сплошного спектра нужны условия когда атомы вещества будут одновременно излучать на всех перходах с равной интенсивностью для каждого значения длины волны?
Как выглядит сплошной спектр какие тела дают сплошной спектр приведите примеры
1. Как выглядит сплошной спектр?
При пропускании солнечного света через призму получался спектр в виде сплошной полосы.
В ней были представлены все цвета (т. е. волны всех частот) видимого диапазона), плавно переходящие один в другой.
2. Какие тела дают сплошной спектр? Приведите примеры.
Сплошной спектр характерен для твёрдых и жидких излучающих тел, имеющих температуру порядка нескольких тысяч градусов Цельсия. Сплошной спектр дают также светящиеся газы и пары, если они находятся под очень высоким давлением (т. е. если силы взаимодействия между их молекулами достаточно велики).
Свет от раскаленной нити электрической лампы, светящаяся поверхность расплавленного металла, пламя свечи.
3. Как выглядят линейчатые спектры?
Линейчатые спектры представляют собой наборы отдельных линий определенных цветов.
Разные химические элементы дают свои собственные наборы отдельных линий.
5. Каким образом можно получить линейчатый спектр испускания натрия?
Если внести в пламя спиртовки кусочек поваренной соли, то пламя окрасится в жёлтый цвет, а в спектре, наблюдаемом с помощью спектроскопа, будут видны две близко расположенные жёлтые линии, характерные для спектра паров натрия.
Под действием высокой температуры молекулы NaCl распались на атомы натрия и хлора.
Свечение атомов хлора возбудить гораздо труднее, чем атомов натрия, поэтому в данном опыте линии хлора не видны.
6. От каких источников света получаются линейчатые спектры?
Линейчатые спектры получают от газов и паров малой плотности, при которой свет излучается изолированными атомами.
7. Каков механизм получения линейчатых спектров поглощения (т. е. что нужно сделать, чтобы получить их)?
Линейчатые спектры поглощения дают газы малой плотности, состоящие из изолированных атомов, когда сквозь них проходит свет от яркого и более горячего (по сравнению с температурой самих газов) источника, дающего непрерывный спектр.
8. Как получить линейчатый спектр поглощения натрия и как он выглядит?
Линейчатый спектр поглощения натрия можно получить, если пропустить свет от лампы накаливания через сосуд с парами натрия, температура которых ниже температуры нити лампы накаливания.
В этом случае в сплошном спектре света от лампы появится узкая чёрная линия как раз в том месте, где располагается жёлтая линия в спектре испускания натрия.
Это и будет линейчатый спектр поглощения натрия.
Линии поглощения атомов натрия точно соответствуют его линиям испускания.
8. В чем заключается суть закона Кирхгофа, касающегося линейчатых спектров излучения и поглощения?
Общий для всех химических элементов закон был открыт в середине XIX в. немецким физиком Густавом Кирхгофом:
Атомы данного элемента поглощают световые волны тех же самых частот, на которых они излучают.
Спектр атомов каждого химического элемента уникален.
Не существует двух химических элементов, атомы которых излучали бы одинаковый набор спектральных линий.