Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 40. Випромінювання та поглинання світла атомами. Спектри. Спектральний аналіз та його застосування

Кольори фізичних тіл, що нас оточують, визначаються поглинанням і відбиванням певних частин спектра атомами цих тіл.

Численні дослідження довели, що внаслідок нагрівання до високої температури пара будь-якої хімічної речовини випромінює світло, вузький пучок якого розкладається призмою на кілька пучків/ліній (мал. 3.3). Сукупність цих спостережуваних ліній називають лінійчастим спектром випускання. Зазначимо, що лінійчастий спектр випускання будь-якого конкретного хімічного елемента не збігається зі спектром випускання інших хімічних елементів і, відповідно, є «візитною карткою» елемента.

Мал. 3.3

Відбувається і зворотне явище: у випадку пропускання білого світла через пару речовини спостерігається виникнення темних ліній на тлі суцільного спектра. Темні лінії розташовані точно в тих місцях, де спостерігалися б світлі лінії спектра випускання цього хімічного елемента. Такий спектр називають лінійчастим спектром поглинання.

Спектри молекулярних газів відрізняються від атомних спектрів і мають вигляд системи смуг із численних і дуже близьких одна до одної ліній. Така спектральна картина пояснюється двома причинами: коливаннями атомів усередині молекули та обертанням молекули.

Енергія коливального руху молекули також підпорядковується законам квантової фізики й має дискретний ряд значень. Таким чином, один електронний енергетичний рівень розбивається на безліч коливальних підрівнів. Окрім коливань окремих частин молекули, може відбуватися обертання молекули як цілого.

У результаті електронні та коливальні рівні енергії молекули розбиваються на множину обертальних підрівнів. Кількість можливих переходів різко збільшується, що на практиці зумовлює виникнення величезної кількості ліній спектра, які зливаються в широкі смуги.

Уже зазначалося, що вимірювання спектрального випромінювання одноелементних газів дає змогу ідентифікувати склад цих газів. Якщо порівняти інтенсивність цього вимірювання зі стандартом, то за відносним рівнем випромінювання можна визначити не тільки склад, але й концентрацію елемента. Прилади, що забезпечують такі вимірювання, називають спектроскопами і спектрометрами.

Схему призматичного спектроскопа показано на малюнку 3.4. Він складається з труби коліматора Т1, трикутної призми і зорової труби Т2. Досліджуване світло, пройшовши через щілину і лінзу Л1 труби коліматора, падає на призму, у якій відбувається спектральне розкладання світла. Лінза Л2 зорової труби Т2 дає зображення спектра, яке розглядається через лінзу Л3 як через лупу. У спектрографах спектр фотографується на кольорову або високочутливу чорно-білу плівку. Для цього фотоапарат встановлюється на місце ока спостерігача.

Мал. 3.4

Поставимо перед щілиною спектроскопа електричну лампу розжарення і за допомогою нього вивчатимемо випромінюване лампою світло. При незначній силі струму нитка лампи має червоний колір. У цей момент спектр випромінюваного нею світла є смужкою червоного кольору. Поступово збільшуючи силу струму, який проходить через нитку лампи, зазначаємо, що в спектрі її світла з’являється спочатку оранжева, потім жовта, блакитна, синя і фіолетова частини (мал. 3.5, 1).

Мал. 3.5

Під час фотографування спектра за допомогою спеціальних фотоапаратів на фотоплівках було виявлено, що перед областю червоного світла і за областю фіолетового світла є невидимі області спектра, що отримали відповідно назву інфрачервоної і ультрафіолетової областей.

Вивчення цих областей спектра, які не сприймає око, показало, що ультрафіолетовій області відповідають довжини хвиль у діапазоні від 1 до 380 нм, а інфрачервоній області — довжини хвиль у діапазоні від 760 нм до 1 мм. Враховуючи, що видима частина спектра лежить у межах від 380 до 760 нм, доходимо висновку, що для світла, яке випромінюється сильно нагрітим тілом, довжини хвиль лежать в інтервалі від 1 нм до 1 мм. Істотно, що в цьому інтервалі немає незайнятих проміжків, тобто спектр цього випромінювання є суцільним.

Помістимо перед щілиною спектроскопа трубку, наповнену воднем при низькому тиску (мал. 3.6). Під час під’єднання трубки до джерела високої напруги в ній відбувається електричний розряд, і з трубки випромінюється червонувате світло. Спектр цього світла складається з кількох світлих ліній на темному тлі (мал. 3.5, 7). Такий спектр отримав назву лінійчастий спектр випромінювання.

Мал. 3.6

Поставивши між щілиною спектроскопа і лампою розжарювання трубку, заповнену воднем (мал. 3.7), на тлі суцільного спектра випускання нитки лампи розжарювання ми виявимо в червоній його частині кілька темних (чорних) ліній (мал. 3.5, 4). Такі спектри отримали назву лінійчасті спектри поглинання, а темні лінії — лінії поглинання. Спектри поглинання перший спостерігав Густав Кірхгоф (1824-1887).

Мал. 3.7

Лінійчасті спектри утворюються, якщо світло випускається або поглинається речовиною в газуватому атомарному стані. Положення темних ліній у спектрі поглинання речовини за даної температури точно збігаються з положеннями світлих ліній у спектрі випускання цієї самої речовини за тієї самої температури. Інакше кажучи, речовина в атомарному газуватому стані за даної температури випускає і поглинає хвилі однакових частот (правило Кірхгофа).

Існують ще смугасті спектри, які складаються з окремих смуг, розділених темними проміжками. За допомогою дуже досконалого спектрального апарата можна виявити, що кожна смуга — це сукупність великої кількості щільно розміщених ліній. На відміну від лінійчастих спектрів, смугасті спектри утворюються не атомами, а молекулами, що слабо зв’язані або не зв’язані між собою.

Склад речовини може бути визначено за спектром випускання (емісійний метод) або за спектром поглинання (метод абсорбції).

Якщо в затемненому приміщенні перед щілиною спектроскопа поставити спиртівку, що горить, то побачимо суцільний спектр дуже малої яскравості. Джерелом світла, що зумовлює цей суцільний спектр, є розжарені тверді частинки в полум’ї.

Внесемо в полум’я спиртівки кристалик кухонної солі (NaCl). Зазначимо, що полум’я стане інтенсивного жовтого кольору, а в його спектрі з’являться дві дуже близько розміщені яскраві жовті лінії, що містяться в жовтій частині спектра (мал. 3.8). Те саме можна спостерігати, якщо замість кухонної солі внести до полум’я спиртівки кристалик глауберової солі (Na2SO4), йодиду натрію (NaJ), сульфіду натрію (Na2S) або карбонату натрію (Na2CO3). Будь-яка сіль натрію, введена в полум’я спиртівки, робить його жовтого кольору, у жовтій частині спектра з’являються дві яскраві, близько розташовані жовті лінії. Інакше кажучи, характерною межею натрію є те, що його розжарена пара дає спектр, у якому завжди присутні дві яскраві лінії в жовтій частині спектра.

Мал. 3.8

Якщо через пари натрію, які містяться в скляній трубці, пропустити електричний струм, то ця пара світитиметься жовтим кольором. У спектрі цього випромінювання також будуть присутні вказані вище дві жовті лінії. У 1860 р. німецькі вчені Густав Кірхгоф і Роберт Бунзен (1811-1899), вивчаючи спектри металів, встановили, що кожен метал у пароподібному стані має свій характерний лінійчастий спектр. Введення в полум’я пальника будь-якої солі того самого металу завжди приводить до появи однакового лінійчастого спектра випускання.

Окремі лінії у спектрах різних елементів можуть випадково збігатися, але в цілому спектр кожного елемента є його постійною і строго індивідуальною характеристикою.

З’ясувалося, що коли вносять до полум’я суміш солей різних металів, у спектрі одночасно з’являються всі характерні для цих металів лінії. Яскравість спектральних ліній залежить від концентрації елемента в суміші речовин.

Так було відкрито новий метод визначення хімічного складу речовини — спектральний аналіз.

Спектральним аналізом називають метод визначення хімічного складу складних речовин, що ґрунтується на вивченні лінійчастих спектрів цих речовин.

Виявлення в спектрі досліджуваного зразка нових, незнайомих ліній означало, що у зразку присутні домішки невідомих у той час елементів. За допомогою спектрального аналізу було відкрито спочатку Рубідій і Цезій, а потім Талій, Індій, Галій. Усього методом спектрального аналізу було відкрито 24 хімічних елементи.

Йозеф Фраунгофер

Якщо сфотографувати спектр сонячного світла, отриманий за допомогою якісного спектроскопа, то на знімку будуть спостерігатися чіткі лінії поглинання (мал. 3.9). Уперше ці лінії описав німецький фізик Йозеф Фраунгофер (1787-1826), тому вони отримали назву — лінії Фраунгофера. Поява цих ліній пов’язана з проходженням сонячного світла через атмосферу Сонця і частково з проходженням через атмосферу Землі. Таким чином, лінії Фраунгофера — це спектр поглинання.

Мал. 3.9

Зіставляючи лінії Фраунгофера з лініями випромінювання різними елементами, можна встановити, які елементи входять до складу атмосфери Сонця. Зокрема, цим методом було вперше виявлено в атмосфері Сонця елемент Гелій. Пізніше Гелій виявили і на Землі.

Спектральний аналіз за спектрами поглинання використовують коли вивчають хімічний склад речовин. Для проведення спектрального аналізу абсорбції досліджувану речовину спалюють у полум’ї, світло від якого прямує в спектроскоп або спектрограф. Одночасно через полум’я пропускають світло від еталонної спектральної трубки. Якщо в спектрі з’являться лінії поглинання, то це свідчить про речовину, що міститься в спектральній трубці досліджуваної речовини.

Спектральний аналіз має над хімічним аналізом такі переваги: висока чутливість, швидкість, простота визначення і невелика маса речовини, потрібної для його проведення.

Чутливість спектрального аналізу дуже висока: з його допомогою можна виявити елемент, домішка якого в речовині становить усього одну мільйонну частку відсотка. За сприятливих умов вдається виявити речовину, яка міститься в пробі масою 10-6 г.

Швидкість спектрального аналізу значно більша за швидкість хімічного аналізу. Тому спектральний аналіз застосовують як експрес-аналіз у металургії, у криміналістиці. Для проведення спектрального аналізу потрібно кілька десятків мікрограмів речовини. Величезне значення спектрального аналізу полягає в тому, що його можна провести, не вступаючи в безпосередній контакт з досліджуваною речовиною: у спектральному аналізі досить проаналізувати світло, яке досліджувана речовина випускає або поглинає.

Спектральний аналіз є найважливішим джерелом інформації про більшість космічних об’єктів. За допомогою цього методу можна встановити якісний і кількісний хімічний склад світила, його температуру, наявність магнітного поля, швидкість руху тощо.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Чим відрізняється молекулярний спектр від атомного?
  • 2. Накресліть схему спектроскопа і поясніть принцип його роботи.
  • 3. Як можна отримати суцільний і лінійчастий спектри?
  • 4. Який спектр називають смугастим?
  • 5. Сформулюйте правило Кірхгофа.
  • 6. Назвіть основні переваги спектрального аналізу над хімічним.

Розкрийте роль спектрального аналізу в астрономічних дослідженнях.

РОЗВ’ЯЗУЄМО РАЗОМ

1. Атом випромінив фотон. Чи змінилася від цього швидкість атома? Розв’язання

2. З’ясуйте, який спектр і чому виникне в газі при рекомбінаціях позитивних йонів з вільними електронами.

Відповідь. Суцільний. Не зв’язані з атомом електрони до рекомбінації можуть мати будь-яку кінетичну енергію. Рекомбінуючи, вони випромінюють фотони найрізноманітніших енергій — суцільний спектр.

3. Спектр рентгенівського випромінювання за будь-яких напруг у короткохвильовій частині різко обривається. Поясніть цю особливість.

Розв’язання