Главная / Детские болезни / Какие виды спектров существуют. Тема: Спектры, спектральный анализ и виды излучения - Реферат

Какие виды спектров существуют. Тема: Спектры, спектральный анализ и виды излучения - Реферат

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:

1. линейчатый

2. полосатый

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

Низкочастотные колебения.

Постоянный ток – частота ν = 0 – 10 Гц .

Атмосферные помехи и переменный ток – частота ν = 10 – 10 4 Гц

Радиоволны.

Частота ν =10 4 – 10 11 Гц

Длина волны λ = 10 -3 – 10 3 м

Получают с помощью колебательных контуров.

Свойства.

Радиоволны различных частот и с различными длинами волн по разному поглощаются и отражаются средами, проявляют свойства дифракции и интерференции.

Применение.

Радиосвязь, телевидение, радиолокация.

Инфракрасное излучение.

Частота ν =3·10 11 – 4·10 14 Гц

Длина волны λ = 8·10 -7 – 2·10 -3 м

Излучаются атомами и молекулами вещества.

Инфракрасное излучение дают все тела при любой температуре. Человек излучает электромагнитные волны λ ≈ 9·10 -6 м.

Свойства.

Проходит через некоторые непрозрачные тела, а также сквозь снег, дождь, дымку.
Производит химическое действие на фотопластинки.
Поглощаясь веществом, нагревает его.
Вызывает внутренний фотоэффект у германия.
Невидимо.
Способно к явлениям интерференции и дифракции.
Регистрируют тепловыми методами, фотоэлектрическими и фотографическими.

Применение.

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.

Видимое излучение.

Часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового).

Частота ν =4·10 14 – 8·10 14 Гц

Длина волны λ = 8·10 -7 – 4·10 -7 м

Свойства.

Отражается, преломляется, воздействует на глаз, способно к явлениям дисперсии, интерференции, дифракции.

Ультрафиолетовое излучение.

Частота ν =8·10 14 – 3·10 15 Гц

Длина волны λ =·10 -8 – 4·10 -7 м (но меньше, чем у фиолетового света)

Источники: газоразрядные лампы с трубками из кварца(кварцевые лампы).

Излучается всеми твердыми телами, у которых t > 1000°С, а также светящимися парами ртути.

Свойства.

Высокая химическая активность (разложение хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка).
Невидимо.
Убивает микроорганизмы.
В небольших дозах благотворно влияет на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздействие: изменение в развитии клеток и обмене веществ, действие на глаза.

Применение.

В медицине, в косметологии (солярий, загар), в промышленности.

Рентгеновские лучи.

Частота ν =3·10 15 – 3·10 19 Гц

Длина волны λ =·10 -11 – 4·10 -8 м

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).

Свойства.

Интерференция, дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке.
Большая проникающая способность.
Облучение в больших дозах вызывает лучевую болезнь.

Применение.

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

Длина волны λ =3,3·10 -11 м

Источники: атомное ядро (ядерные реакции).

Свойства.

Имеет огромную проникающую способность.
Оказывает сильное биологическое воздействие.

Применение.

В медицине, в производстве (γ – дефектоскопия).

Спектральный состав излучения атомов различных веществ весьма разнообразен. Тем не менее, все спектры можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.

Непрерывные (сплошные) спектры. В непрерывном спектре излучения (Рис 4.12.1) представлены волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу с плавным переходом от одного цвета к другому.

Непрерывные (или сплошные) спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы . Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. 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. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма . Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые спектры. Линейчатые спектры излучения (Рис 4.12.2,3,4) представляют собой набор цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. 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. Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не в молекулярном) состоянии. Изолированные атомы химического элемента излучают строго определенные длины волн, характерные данному химическому элементу. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со своим набором энергетических уровней.

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, при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.

Полосатые спектры. Полосатые спектры излучения состоят из отдельных полос, разделенных темными промежутками (Рис 4.13: а, б ). С помощью очень хорошего спектрального прибора 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.

Спектры поглощения. Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии поглощения (Рис. 4.14). 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. Спектры поглощения могут быть непрерывными, линейчатыми и полосатыми.

Атом, поглощая свет, переходит из основного состояния в возбужденное, причем для возбуждения атомов пригодны строго определенные кванты энергии , соответствующие данному газу. Поэтому газ поглощает из непрерывного спектра те самые кванты света, которые может излучать сам.

На рисунках 4.12 и 4.14 сопоставлены спектры испускания и поглощения разреженных паров натрия, водорода и гелия. Изучая спектры испускания и поглощения атомов, еще в 19 веке физики пришли к выводу, что атом не является неделимой частицей, а обладает некоторой внутренней сложной структурой.

Использование линейчатых спектров лежит в основе спектрального анализа - метода исследования химического состава веществ по их спектрам. 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. Например, в спектре Солнца (1814) были открыты фраунгоферовы темные линии, происхождение которых объясняется следующим образом. Солнце, являясь раскаленным газовым шаром (Т ~ 6000 °С), испускает сплошной спектр.

Солнечные лучи проходят через атмосферу Солнца (солнечную корону, температура которой ~2000-3000 °С. Корона поглощает из сплошного спектра излучение определенной частоты, а на Земле регистрируется солнечный спектр поглощения (рис. 4.14.5), по которому можно определить, какие химические элементы присутствуют в короне Солнца. По спектрам поглощения на Солнце были обнаружены все земные элементы, а также неизвестный ранее элемент, который назвали гелий. Через 26 лет (1894) открыли гелий на Земле. Благодаря спектральному анализу на Земле было открыто еще 25 химических элементов.

Более того, спектральный анализ Солнца и звезд показал, что входящие в их состав химические элементы имеются и на Земле, т.е. вещество Вселенной состоит из одного и того же набора элементов. Из-за своей сравнительной простоты и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов как по спектрам испускания, так и по спектрам поглощения. Состав сложных смесей анализируется по молекулярным спектрам. При определенных условиях методами спектрального анализа можно не только определить химический состав компонент, но и их количественное содержание.

Непрерывные спектры

Мы знаем, что с помощью спектрального прибора (призмы или дифракционной решетки) можно «заставить» лучи света, соответствующие разным длинам волн, идти по разным направлениям . Если в свете представлены все длины волн, то на экране мы получаем непрерывный спектр , в котором имеются все цвета от красного до фиолетового, которые плавно переходят один в другой (рис. 24.1).

Рис. 24.1

Рис. 24.2

Распределение интенсивности света по частотам в непрерывном спектре имеет характер, показанный на рис. 24.2. При повышении температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более высоких частот, а при понижении – в сторону более низких.

Такие спектры дают все светящиеся тела, если они находятся в твердом или жидком состоянии (например, лампа накаливания). Солнечный свет, как мы знаем, тоже имеет непрерывный спектр. Непрерывные спектры дают и сильно сжатые газы.

Совсем другую картину мы получим, если пропустим через спектральный прибор свет, исходящий от светящихся разреженных газов . Например, пары натрия дают одну яркую жёлтую линию (и всё!) (рис. 24.3, 1). Спектр атомарного водорода дает четыре четких линии (рис. 24.3, 2), а спектр гелия – семь линий (рис. 24.3, 3). Заставить газ светиться можно, лишь нагрев его до высоких температур или пропуская через него электрический разряд.

Спректры, состоящие из отдельных линий, называются линейчатыми. Опыт показывает, что линейчатые спектры дают разреженные газы, находящиеся в атомарном (но не молекулярном) состоянии. Линейчатый спектр каждого химического элемента строго индивидуален и не совпадает со спектром любого другого элемента. В некотором смысле он напоминает отпечатки пальцев человека: как по отпечаткам пальцев можно найти преступника, так по наличию в спектре определенных линий можно узнать о присутствии в исследуемом веществе определенного элемента.

На этом основан спектральный анализ – метод определения химического состава вещества по его спектру.

В настоящее время известны спектры всех атомов, поэтому, получив спектр неизвестного вещества, можно определить, какие элементы входят в состав данного вещества. Заметим, что некоторые элементы (гелий, рубидий, цезий, таллий, индий, галлий) были открыты с помощью спектрального анализа. Именно методом спектрального анализа ученые смогли установить химический состав Солнца и звезд.

Читатель : А какие спектры дают молекулы , составленные из нескольких атомов?

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.

Спектры поглощения

Мы с вами выяснили, что атомы каждого вещества в возбужденном (сильно нагретом) состоянии испускают световые волны строго определенной длины. Возникает вопрос: как эти же атомы поглощают световые волны? То есть что мы увидим, если через холодный неизлучающий газ пропустим белый свет, содержащий волны любой длины?

Эксперимент показывает, что газ наиболее интенсивно поглощает как раз те световые волны, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра – это линии поглощения , образующие спектр поглощения (см. рис. 24.3, 4–6).

Спектральный анализ подразделяют на несколько самостоятельных методов. Среди них выделяют: инфракрасную и ультрафиолетовую спектроскопию, атомно-абсорбционный, люминесцентный и флуоресцентный анализ, спектроскопию отражения и комбинационного рассеяния, спектрофотометрию, рентгеновскую спектроскопию, а также ряд других методов.

Абсорбционный спектральный анализ основан на изучении спектров поглощения электромагнитного излучения. Эмиссионный спектральный анализ проводится по спектрам испускания атомов, молекул или ионов, возбужденных различными способами.

Атомно-эмиссионный спектральный анализ

Спектральным анализом часто называют только атомно-эмиссионный спектральный анализ, который основан на исследовании спектров испускания свободных атомов и ионов в газовой фазе. Его проводят в области длин волн 150-800 нм. В источник излучения вводят пробу исследуемого вещества, после чего в нем происходит испарение и диссоциация молекул, а также возбуждение образовавшихся ионов. Они испускают излучение, которое фиксируется регистрирующим устройством спектрального прибора.

Работа со спектрами

Спектры проб сравнивают со спектрами известных элементов, которые можно найти в соответствующих таблицах спектральных линий. Так узнают состав анализируемого вещества. Количественный анализ подразумевает концентрации данного элемента в анализируемого веществе. Ее узнают по величине сигнала, например, по степени почернения или оптической плотности линий на фотопластинке, по интенсивности светового потока на фотоэлектрическом приемнике.

Виды спектров

Непрерывный спектр излучения дают вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также плотные газы. В таком спектре нет разрывов, в нем представлены волны всех длин. Его характер зависит не только от свойств отдельных атомов, но и от их взаимодействия друг с другом.

Линейчатый спектр излучения характерен для веществ в газообразном состоянии, при этом атомы почти не взаимодействуют друг с другом. Дело в том, что изолированные атомы одного химического элемента излучают волны строго определенной длины волны.

При увеличении плотности газа спектральные линии начинают расширяться. Для наблюдения такого спектра используют свечение газового разряда в трубке или паров вещества в пламени. Если пропускать белый свет через неизлучающий газ, на фоне непрерывного спектра источника появятся темные линии спектра поглощения. Газ интенсивнее всего поглощает свет тех длин волн, которые он испускает в нагретом состоянии.

Вопрос 5. Виды спектров. Спектральный анализ.

Непрерывные (сплошные) спектры. В непрерывном спектре излучения (рис. 19.12.1) представлены волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу с плавным переходом от одного цвета к другому.

Непрерывные (или сплошные) спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. 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. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые спектры. Линейчатые спектры излучения (Рис. 19.13.2,3,4) представляют собой набор цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. 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. Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не в молекулярном) состоянии. Изолированные атомы химического элемента излучают строго определенные длины волн, характерные данному химическому элементу. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со своим набором энергетических уровней.

Полосатые спектры. Полосатые спектры излучения состоят из отдельных полос, разделенных темными промежутками (Рис 19.14: а, б ).

С помощью очень хорошего спектрального прибора 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.

Спектры поглощения. Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии поглощения (Рис. 19.15). Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линиипоглощения, образующие в совокупности спектр поглощения. Спектры поглощения могут быть непрерывными, линейчатыми и полосатыми.

Оптические спектры

Спектры испускания

400 450 500 550 600 700 (нм )

(1−сплошной; линейчатые: 2−натрия; 3−водорода; 4−гелия)

Полосатые спектры

Cпектр испускания паров молекул иода

Спектр испускания угольной дуги (полосы молекул CN и С 2)

Спектры поглощения

400 450 500 550 600 700 (нм )

(5−солнечный; линейчатые: 6−натрия; 7−водорода; 8−гелия)

На рисунках 19.13 и 19.15 сопоставлены спектры испускания и поглощения разреженных паров натрия, водорода и гелия.

Изучая спектры испускания и поглощения атомов, еще в 19 веке физики пришли к выводу, что атом не является неделимой частицей, а обладает некоторой внутренней сложной структурой.

Использование линейчатых спектров лежит в основе спектрального анализа – метода исследования химического состава веществ по их спектрам. 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. Например, в спектре Солнца (1814) были открыты фраунгоферовы темные линии, происхождение которых объясняется следующим образом. Солнце, являясь раскаленным газовым шаром (Т ~ 6000 °С), испускает сплошной спектр. Солнечные лучи проходят через атмосферу Солнца (солнечную корону, температура которой ~(2000–3000) °С. Корона поглощает из сплошного спектра излучение определенной частоты, а на Земле регистрируется солнечный спектр поглощения (рис. 19.15,5), по которому можно определить, какие химические элементы присутствуют в короне Солнца. По спектрам поглощения на Солнце были обнаружены все земные элементы, а также неизвестный ранее элемент, который назвали гелий. Через 26 лет (1894) открыли гелий на Земле. Благодаря спектральному анализу на Земле было открыто еще 25 химических элементов.

Из-за своей сравнительной простоты и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов как по спектрам испускания, так и по спектрам поглощения. Состав сложных смесей анализируется по молекулярным спектрам.

При определенных условиях методами спектрального анализа можно не только определить химический состав компонент, но и их количественное содержание.

Контрольные вопросы:

1. Приведите формулу Бальмера и поясните ее физический смысл.

2. Почему из различных серий спектральных линий атома водорода первой была изучена серия Бальмера?

3. Какие серии спектральных линий вы знаете?

4. Чему равна частота излучения атома водорода, соответствующая коротковолновой границе серии Брэкета?

5. Нарисуйте и поясните схему энергетических уровней атома водорода.

6. Приведите схему опыта Резерфорда и поясните ее.

7. Что такое постулаты Бора? Каков их физический смысл? Как с их помощью объясняется линейчатый спектр атома?

8. Что такое стационарные орбиты? Как рассчитываются их радиусы?

9. Почему ядерная модель атома по Резерфорду оказалась несостоятельной?

10. Приведите схему опыта Франка и Герца и вольт-амперную характеристику, описывающую результат этого эксперимента.

11. Какие постулаты Бора были подтверждены опытами Франка и Герца?

12. Какие основные выводы можно сделать на основании опытов Франка и Герца?

13. Пользуясь моделью Бора, укажите спектральные линии, которые могут возникнуть при переходе атома водорода из состояний с n =3 и с n = 4.

14. Назовите виды спектров испускания. Охарактеризуйте условия получения каждого вида спектров.

15. Что такое спектр поглощения? Условия получения спектровпоглощения.

16. Что лежит в основе спектрального анализа?

Какие виды спектров существуют. Тема: Спектры, спектральный анализ и виды излучения - Реферат

Непрерывные спектры

Атомно-эмиссионный спектральный анализ

Работа со спектрами

Виды спектров

Вопрос 5. Виды спектров. Спектральный анализ.

Восстановление пароля