какие спектры испускания называют линейчатыми
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.
Линейчатые спектры
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: линейчатые спектры.
Рис. 1. Непрерывный спектр
Спектр называется непрерывным потому, что в нём присутствуют все длины волн видимого диапазона — от красной границы до фиолетовой. Мы наблюдаем непрерывный спектр в виде сплошной полосы, состоящей из разных цветов.
Непрерывным спектром обладает не только солнечный свет, но и, например, свет электрической лампочки. Вообще, оказывается, что любые твёрдые и жидкие тела (а также весьма плотные газы), нагретые до высокой температуры, дают излучение с непрерывным спектром.
Ситуация качественно меняется, когда мы наблюдаем свечение разреженных газов. Спектр перестаёт быть непрерывным: в нём появляются разрывы, увеличивающиеся по мере разрежения газа. В предельном случае чрезвычайно разреженного атомарного газа спектр становится линейчатым — состоящим из отдельных достаточно тонких линий.
Мы рассмотрим два типа линейчатых спектров: спектр испускания и спектр поглощения.
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 достаточно высокой температуры), мы увидим примерно следующую картину (рис. 2 ):
Рис. 2. Линейчатый спектр испускания
Этот линейчатый спектр, образованный тонкими изолированными разноцветными линиями, называется спектром испускания.
Любой атомарный разреженный газ излучает свет с линейчатым спектром. Более того, для каждого химического элемента спектр испускания оказывается уникальным, играя роль «удостоверения личности» этого элемента. По набору линий спектра испускания можно однозначно сказать, с каким химическим элементом мы имеем дело.
Поскольку газ разрежен и атомы мало взаимодействуют друг с другом, мы можем заключить, что свет излучают атомы сами по себе. Таким образом, атом характеризуется дискретным, строго определённым набором длин волн излучаемого света. У каждого химического элемента, как мы уже сказали, этот набор свой.
Спектр поглощения
Атомы излучают свет, переходя из возбуждённого состояния в основное. Но вещество может не только излучать, но и поглощать свет. Атом, поглощая свет, совершает обратный процесс — переходит из основного состояния в возбуждённое.
Снова рассмотрим разреженный атомарный газ, но на сей раз в холодном состоянии (при достаточно низкой температуре). Свечения газа мы не увидим; не будучи нагретым, газ не излучает — атомов в возбуждённом состоянии оказывается для этого слишком мало.
Если сквозь наш холодный газ пропустить свет с непрерывным спектром, то можно увидеть что-то вроде этого (рис. 3 ):
Рис. 3. Линейчатый спектр поглощения
На фоне непрерывного спектра падающего света появляются тёмные линии, которые образуют так называемый спектр поглощения. Откуда берутся эти линии?
Под действием падающего света атомы газа переходят в возбуждённое состояние. При этом оказывается, что для возбуждения атомов годятся не любые длины волн, а лишь некоторые, строго определённые для данного сорта газа. Вот именно эти длины волн газ и «забирает себе» из проходящего света.
Более того, газ изымает из непрерывного спектра ровно те самые длины волн, которые излучает сам! Тёмные линии в спектре поглощения газа в точности соответствуют ярким линиям его спектра испускания. На рис. 4 сопоставлены спектры испускания и поглощения разреженных паров натрия (изображение с сайта www.nt.ntnu.no):
Рис. 4. Спектры поглощения и испускания для натрия
Впечатляющее совпадение линий, не правда ли?
Глядя на спектры испускания и поглощения, физики XIX века пришли к выводу, что атом не является неделимой частицей и обладает некоторой внутренней структурой. В самом деле, что-то ведь внутри атома должно обеспечивать механизм излучения и поглощения света!
Кроме того, уникальность атомных спектров говорит о том, что этот механизм различен у атомов разных химических элементов; стало быть, атомы разных химических элементов должны отличаться по своему внутреннему устройству.
Строению атома будет посвящён следующий листок.
Спектральный анализ
Использование линейчатых спектров в качестве уникальных «паспортов» химических элементов лежит в основе спектрального анализа — метода исследования химического состава вещества по его спектру.
Идея спектрального анализа проста: спектр излучения исследуемого вещества сопоставляется с эталонными спектрами химических элементов, после чего делается вывод о присутствии или отсутствии того или иного химического элемента в данном веществе. При определённых условиях методом 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; они получили название по цвету линий своего спектра (В спектре цезия наиболее выражены две линии небесно-синего цвета, по-латыни называемого caesius. Рубидий же даёт две характерные линии рубинового цвета).
В 1868 году в спектре Солнца были обнаружены линии, не соответствующие ни одному из известных химических элементов. Новый элемент был назван гелием (от греческого гелиос — солнце). Впоследствии гелий был обнаружен в атмосфере Земли.
Вообще, спектральный анализ излучения Солнца и звёзд 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 кирпичиков».
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
Спектр. Лазеры.
СПЕКТРЫ
Спектры испускания
Совокупность частот (или длин волн), которые содержатся в излучении какого-либо вещества, называютспектром испускания. Они бывают трех видов.
Линейчатый — это спектр, испускаемый газами, парами малой плотности в атомарном состоянии. Состоит из отдельных линий разного цвета (длины волны, частоты), имеющих разные расположения. Каждый атом излучает набор электромагнитных волн определенных частот. Поэтому каждый химический элемент имеет свой спектр
Полосатый—это спектр, который испускается газом в молекулярном состоянии.
Линейчатые и полосатые спектры можно получить путем нагрева вещества или пропускания электрического тока.
Спектры поглощения
Спектры поглощения получают, пропуская свет от источника. дающего сплошной спектр, через вещество, атомы которого находятся в невозбужденном, состоянии.
Спектр поглощения — это совокупность частот, поглощаемых данным веществом.
Согласно закону Кирхгофа вещество поглощает те линии спектра, которые и испускает, являясь источником света.
Исследование спектров испускания и поглощения позволяет установить качественный состав вещества. Количественное содержание элемента в соединении определяется путем измерения яркости спектральных линий.Метод определения качественного и количественного состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. Зная длины волн, испускаемых различными парами, можно установить наличие тех или иных элементов в веществе.
Этот метод очень чувствителен. Отдельные линии в спектрах различных элементов могут совпадать, но в целом спектр каждого элемента является его индивидуальной характеристикой. Спектральный анализ сыграл большую роль в науке. С его помощью был изучен состав Солнца и звезд.
В спектре Солнца (1814) были открыты фраунгоферовы темные линии.
Солнце — раскаленный газовый шар (Т ≈ 6000 °С), испускающий сплошной спектр. Солнечные лучи проходят через атмосферу Солнца, где Т ≈ 2000— 3000 °С.
Корона поглощает из сплошного спектра определенные частоты, а мы на Земле принимаем солнечный спектр поглощения. По нему можно определить, какие элементы присутствуют в короне Солнца.
Он помог обнаружить все земные элементы, а также неизвестный элемент, который назвали гелий. Через 26 лет (1894) открыли гелий на Земле. Благодаря спектральному анализу открыто 25 элементов.
Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов,
Спектральный анализ можно производить как по спектрам испускания, так и по спектрам поглощения.
Состав сложных смесей анализируется по молекулярному спектру.
ЛАЗЕРЫ
Фотон, имеющий энергию hv, возбуждает атом и переводит электрон в состояние с более высокой энергией. Электрон произвольно возвращается в первоначальное состояние, испуская фотон энергией hv.
Вынужденное излучение
Падающий фотон с энергией hv взаимодействует с атомом, находящимся в возбужденном состоянии, и стимулирует его высвечивание. Возникают два фотона с энергией hv каждый, которые движутся в одном направлении и одной фазе.
Населенность уровней
Чтобы получить когерентное излучение в результате вынужденного испускания, необходимы два условия:
1. Населенность верхних уровней должна быть больше, чем нижних.
2. Один из верхних уровней с состоянием Е2 должен быть метастабильным, т. е, электроны в нем должны находиться не
Оба перехода сопровождаются выделением энергии. Большое различие во временах жизни в состояниях Е2 и Е3приводит к тому, что под действием возбуждающих фотонов с энергией 
атомы переходят в состояние Е3, а затем самопроизвольно — в состояние Е2. Без излучения света (энергия поглощается кристаллом) и происходит накопление атомов на метастабильном уровне с состоянием Е2. Для создания в лазере инверсной населенности используют Al2O3, смесь гелия (15%), неона (85%) и другие вещества. Переход из состояния Е2 в состояние Е3 под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением, что и используется в лазерах.
Свойства лазерного излучения
В настоящее время лазеры применяются: