какие тела дают непрерывный спектр
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
Оптические спектры.
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 → 0) 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.
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.
Как сказал.
Есть только два способа прожить жизнь. Первый — будто чудес не существует. Второй — будто кругом одни чудеса.
А.Эйнштейн
Вопросы к экзамену
Для всех групп технического профиля
Список лекций по физике за 1,2 семестр
Я учу детей тому, как надо учиться
Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно.
Урок 52. Виды спектров. Различные виды электромагнитных излучений, их свойства.
Совокупность монохроматических компонент в излучении называется спектром.
Спектры излучения
Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа.
Непрерывные спектры
Непрерывный спектр представлет собой сплошную разноцветную полосу.
Белый свет имеет непрерывный спектр. Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу.
Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.
Характер 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.
Излучение источников, в которых свет испускается атомами вещества, имеет дискретный спектр. Они делятся на:
Линейчатые спектры
Линейчатый спектр состоит изотдельных цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами.
Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. На рисунке приведены также спектры водорода и гелия. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах).
Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.
Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн.
Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.
При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.
Полосатые спектры
Полосатый спектр состоит 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. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.
Спектры поглощения
Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету, и поглощает все остальные.
Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Это будет спектр поглощения.
Спектр поглощения представляет собой темные линии на фоне непрерывного спектра источника.
Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.
Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры поглощения.
Различные виды электромагнитных излучений, их свойства и практические применения.
Шкала электромагнитных волн. Границы между различными диапазонами условны
Постоянный ток – частота ν = 0 – 10 Гц.
Атмосферные помехи и переменный ток – частота ν = 10 – 10 4 Гц
Частота ν =10 4 – 10 11 Гц
Получают с помощью колебательных контуров.
Радиоволны различных частот и с различными длинами волн по разному поглощаются и отражаются средами, проявляют свойства дифракции и интерференции.
Радиосвязь, телевидение, радиолокация.
Частота ν =3·10 11 – 4·10 14 Гц
Излучаются атомами и молекулами вещества.
Получают изображения предметов в темноте, приборах ночного видения, в тумане. Используют в криминалистике, в физиотерапии,. в промышленности для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины, фруктов.
Часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового).
Частота ν =4·10 14 – 8·10 14 Гц
Отражается, преломляется, воздействует на глаз, способно к явлениям дисперсии, интерференции, дифракции.
Частота ν =8·10 14 – 3·10 15 Гц
Источники: газоразрядные лампы с трубками из кварца(кварцевые лампы).
Излучается всеми твердыми телами, у которых t > 1000°С, а также светящимися парами ртути.
В медицине, в косметологии (солярий, загар), в промышленности.
Частота ν =3·10 15 – 3·10 19 Гц
Излучаются при резком торможении электронов, движущихся с большим ускорением.
Получают при помощи рентгеновской трубки: электроны в вакуумной трубке ускоряются электрическим полем при высоком напряжении, достигая анода, при соударении резко тормозятся. При торможении электроны движутся с ускорением и излучают электромагнитные волны с малой длиной (от 100 до 0,01 нм).
В медицине (диагностика заболеваний внутренних органов), в промышленности (контроль внутренней структуры различных изделий, сварных швов).
Гамма – излучение (γ – излучение).
Частота ν =3·10 20 Гц и выше
Источники: атомное ядро (ядерные реакции).
В медицине, в производстве (γ – дефектоскопия).
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.