СПЕКТР

СПЕКТР електромагнітного випромінювання, упорядкована за довжинами сукупність монохроматичних хвиль, яку розкладається світло чи інше електромагнітне випромінювання. Типовий приклад спектру – добре відома всім веселка. Можливість розкладання сонячного світла на безперервну послідовність променів різних кольорів вперше експериментально показав І.Ньютон у 1666. Направивши на тригранну призму вузький пучок світла, що проникав у затемнену кімнату через маленький отвір у віконниці, він отримав на протилежній стіні зображення кольорової смужки з райдужним черем. , яка була названа ним латинським словом spectrum. Проводячи досліди з призмами, Ньютон дійшов таких важливих висновків: 1) звичайне «біле» світло є сумішшю променів, кожен із яких має свій власний колір; 2) промені різних кольорів, заломлюючись у призмі, відхиляються різні кути, унаслідок чого «біле» світло розкладається на кольорові складові. Згодом ньютонівська інтерпретація природи світла завоювала загальне визнання, оскільки добре погодилася з експериментальними даними, а сам експеримент було прийнято вченими за основу наукового підходу до вивчення явищ природи.

Видиме світло – це лише мала частина широкого спектру електромагнітного випромінювання, що включає радіохвильове, мікрохвильове, інфрачервоне, видиме, ультрафіолетове, рентгенівське та гамма-випромінювання. Кожен вид випромінювання являє собою хвилю із взаємно перпендикулярних електричної та магнітної компонент, що періодично змінюються з певними частотами (інакше кажучи, хвиля має певну довжину).Хвилі, що сприймаються оком людини, належать видимій області; саме до неї свого часу належав введений Ньютоном термін «спектр». У сучасній науці цей термін поширений весь діапазон електромагнітного випромінювання.

Спектральні дослідження відіграли ключову роль у пізнанні Всесвіту. З їхньою допомогою вдалося зрозуміти будову не тільки атомів і молекул, але й таких астрофізичних об'єктів, як Сонце, зірки, планети, і отримати докладну інформацію про їхній рух. Розроблена теорія спектрів та накопичені емпіричні дані дозволили створити метод спектрального аналізу для якісного та кількісного визначення складу хімічних речовин. також ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ; РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИМИКАННЯ; СВІТЛО.

Класифікація спектрів.

Усі спектри поділяються на два основні класи: спектри випромінювання (або емісійні) та спектри поглинання. Кожен клас, у свою чергу, поділяється на безперервні (суцільні), смугасті та лінійчасті спектри. Пояснимо цю класифікацію на прикладі видозміненої схеми досвіду Ньютона (яка, зауважимо, була застосована лише через століття). Основне нововведення у цій схемі полягало в тому, що круглий отвір у віконниці було замінено коліматором – вузькою щілиною та лінзою перед призмою. Друга лінза містилася за призмою і призначалася для проектування спектра на екран, як це робив сам Ньютон у своїх пізніших дослідах. Якщо на щілину простого спектроскопа (як тепер називається пристрій, що складається з щілини, лінз та призми) направити світло від лампи розжарювання, то на екрані виникає безперервний спектр з наступним порядком чергування кольорів: фіолетовий, синій, блакитний, зелений, жовтий, помаранчевий та червоний .Якщо ж щілину висвітлити полум'ям, в яке внесена крупинка кухонної солі (хлориду натрію NaCl), спектр буде фактично складатися з двох близько розташованих яскравих жовтих ліній. Аналогічно, якщо щілину висвітлити червоним світлом неонової рекламної трубки, на екрані з'явиться ряд яскравих червоних ліній. Тут кожна лінія – це зображення щілини спектроскопа, утворене світлом певної довжини хвилі, а отриманий спектр називається лінійним спектром випромінювання. Існують спектри, що складаються з груп ліній, що розташовані настільки тісно, ​​що кожна група виглядає як вузька ділянка безперервного спектру. Такі спектри називаються смугастими.

Лінії Фраунгофера.

У 1802, вивчаючи безперервний спектр Сонця, У. Волластон помітив у ньому безліч тонких темних ліній. Дванадцятьма роками пізніше Й.Фраунгофер, замінивши зорову трубу в спектроскопі Волластона на трубу теодоліту, точно виміряв кутове положення темних ліній. На його честь ці лінії тепер називаються фраунгоферовими лініями сонячного спектра. також СОНЦЕ.

Дослідження Кірхгофа.

У 1859 Г.Кірхгоф сформулював свій знаменитий закон, що пов'язує поглинання та випромінювання. Суть його полягає в тому, що будь-яка речовина добре поглинає випромінювання саме тих довжин хвиль, яке інтенсивно випускає. На підставі цього закону Кірхгоф в такий спосіб пояснив появу фраунгоферових ліній у безперервному сонячному спектрі. Газ, що знаходиться у зовнішніх, найхолодніших шарах сонячної атмосфери, вибірково поглинає з суцільного спектру фотосфери Сонця, що яскраво світиться, випромінювання тих довжин хвиль, які відповідають лініям випромінювання збудженого газу.Тому на окремих ділянках безперервного сонячного спектру різко знижується інтенсивність і з'являються темні лінії.

Одне з найважливіших відкриттів фізичної оптики у тому, кожен атом і кожна молекула випускають характерний лише них лінійний спектр. Багато дослідників, які працювали після Фраунгофера, були близькі до цього відкриття, але лише Кірхгоф зміг чітко сформулювати його та застосувати на практиці. Він зрозумів, що характеристичні спектри та закон, що пов'язує поглинання та випромінювання, дозволяють спектральним методом визначити хімічний склад сонячної атмосфери і, більше того, що вони є універсальним інструментом, що дає можливість у лабораторних умовах виявляти та аналізувати різні елементи (так, наприклад, були відкриті рубідій та цезій). Його роботи, виконані разом із Р.Бунзеном, заклали основи сучасної спектроскопії. також СПЕКТРОСКОПІЯ.

СПЕКТРАЛЬНІ ОБЛАСТІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Відповідно до довжин хвиль ( l ) весь спектр електромагнітного випромінювання умовно ділиться на ряд частково перекриваються областей - від радіохвиль на його довгохвильовій межі до гамма-променів на межі коротких хвиль. Однак такий поділ відображає залежність не тільки від l , Але і від способів генерації та виявлення відповідного електромагнітного випромінювання. Наприклад, немає ніякої принципової різниці між мікрохвильовим та інфрачервоним випромінюванням однакових довжин хвиль, але якщо випромінювання генерується електронним приладом, його називають мікрохвильовим, а якщо воно випромінюється інфрачервоним джерелом – інфрачервоним.

Радіохвилі.

Електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль приблизно від 1 см до 30 000 м становить радіохвильову частину спектра. Оскільки швидкість будь-якого електромагнітного випромінювання у вакуумі становить 300 000 000 м/с і дорівнює добутку довжини хвилі на частоту (c = ln ), то радіохвильовому інтервалу відповідають частоти приблизно від 10 000 герц (Гц, 1Гц = 1 с -1) до 30 000 мегагерц (МГц, 1МГц = 106 Гц). Випромінювання таких частот одержують за допомогою лампових або напівпровідникових генераторів, а для реєстрації застосовують резонансні радіосхеми.

Радіохвилі використовуються в основному в системах зв'язку та навігації. У 1932 було відкрито радіохвильове випромінювання нашої Галактики, що значною мірою стимулювало народження нової науки – радіоастрономії. Великого успіху радіоастрономія досягла в 1951, коли були виявлені радіохвилі, що випромінюються хмарами міжзоряного водню на єдиній частоті, що відповідає довжині хвилі близько 21 см. У лабораторіях радіоспектроскопія широко застосовується для дослідження атомів і молекул. також Радіоастрономія.

Мікрохвильове випромінювання.

Випромінювання з довжинами хвиль приблизно від 0,5 мм до 30 см (частотний інтервал від 600 000 до 1000 МГц) відноситься до мікрохвильового діапазону спектра. Для генерації мікрохвильового випромінювання використовуються спеціальні електронні лампи (клістрони). Бурхливий розвиток мікрохвильова техніка отримала в період Другої світової війни у ​​зв'язку з вимогами, що різко зросли, до ефективності засобів зв'язку і радіолокації. Мікрохвильове випромінювання природних джерел зумовлене головним чином обертанням молекул, хоча відомі і НВЧ спектри атомів.Дослідження мікрохвильових обертальних спектрів молекул є одним із найточніших методів визначення структури молекул газу.

Інфрачервоне випромінювання.

Інфрачервоне (ІЧ) випромінювання було відкрито англійським астрономом В.Гершелем у 1800 році. Користуючись простим термометром, він встановив, що теплове випромінювання має найбільшу інтенсивність за межами видимої області поблизу його червоного кордону. Інфрачервона область спектру починається приблизно від 0,8 мкм і тягнеться приблизно до 1 мм. Раніше лабораторними джерелами інфрачервоного випромінювання служили виключно розпечені тіла чи електричні розряди у газах. Зараз на основі твердотільних та молекулярних газових лазерів створено сучасні джерела інфрачервоного випромінювання з регульованою чи фіксованою частотою. Для реєстрації випромінювання у ближній ІЧ-області (до ~1,3 мкм) використовуються спеціальні фотопластинки. Більш широким діапазоном чутливості (приблизно до 25 мкм) мають фотоелектричні детектори та фоторезистори. Випромінювання у дальній ІЧ-області реєструється болометрами – детекторами, чутливими до нагрівання інфрачервоним випромінюванням.

ІЧ-апаратура знаходить широке застосування як у військовій техніці (наприклад, для наведення ракет), так і цивільної (наприклад, у волоконно-оптичних системах зв'язку). Як оптичні елементи в ІЧ-спектрометрах використовуються або лінзи та призми, або дифракційні решітки та дзеркала. Щоб виключити поглинання випромінювання повітря, спектрометри для дальньої ІЧ-області виготовляються у вакуумному варіанті.

Оскільки інфрачервоні спектри пов'язані з обертальними та коливальними рухами в молекулі, а також з електронними переходами в атомах і молекулах, ІЧ-спектроскопія дозволяє отримувати важливі відомості про будову атомів та молекул, а також про зонну структуру кристалів.

Видима область.

Видимій області відповідає діапазон довжин хвиль від 400 нм (фіолетовий кордон) до 760 нм (червоний кордон), що становить незначну частину повного електромагнітного спектра. Джерелами видимого світла в лабораторії зазвичай служать розпечені тверді тіла, електричний розряд та лазери (зазвичай лазери на барвниках). Лазери, що перебудовуються, на барвниках дозволяють перекривати великі ділянки видимого спектру (наприклад, барвник родамін 6G випромінює в інтервалі 570-660 нм). Найбільш поширеними детекторами видимого випромінювання є очі людини, фотопластинки, фотоелементи, фотопомножувачі. Видимо спектри пов'язані з квантовими переходами зовнішніх електронів атомів і молекул і містять найважливішу інформацію про їх електронну структуру.

Ультрафіолетове випромінювання.

Ультрафіолетова (УФ) спектральна область була відкрита в 1801, коли І. Ріттер і У. Волластон, спостерігаючи сонячний спектр, виявили, що найбільше почорніння хлориду срібла викликається більш короткохвильовим випромінюванням, ніж фіолетове. До УФ-області відноситься випромінювання з довжинами хвиль від 10 до 400 нм. УФ-випромінювання з довжинами хвиль коротше 185 нм поглинається повітрям, тому прилади цього діапазону повинні бути вакуумними. Оскільки лише деякі з прозорих речовин залишаються прозорими для «вакуумного ультрафіолету», в таких приладах застосовується відбивна оптика.Для реєстрації ультрафіолетового випромінювання використовуються спеціальні фотопластинки та фотоелектричні детектори. Більшість УФ-спектрів пов'язані з квантовими переходами зовнішніх електронів атомів і молекул, тому УФ-спектроскопія застосовується на дослідження будови атомів.

Рентгенівське випромінювання.

У 1895 було зроблено одне з найважливіших відкриттів фізики: В.Рентген, вивчаючи електричні розряди в газах, зауважив, що паперовий екран, підданий спеціальної обробки, починає світитися, якщо його піднести до працюючої газорозрядної трубки, і зробив висновок, що світіння виникає під дією нового, невідомого проникаючого випромінювання, названого ним X-променями. З подальших експериментів з'ясувалося, що X-промені – це електромагнітне випромінювання, довгохвильова межа якого перекривається з вакуумним ультрафіолетом, а короткохвильова становить малу частку нанометра.

Рентгенівське випромінювання з безперервним спектром часто називають гальмівним випромінюванням, оскільки воно виникає при уповільненні електронів, що бомбардують анод рентгенівської трубки. Див. також РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИМИКАННЯ.

Гамма-випромінювання.

Гамма-випромінювання відрізняється від рентгенівського меншою довжиною хвилі (0,1-10 -6 нм) та своїм походженням. Ядро, отримавши в результаті ядерної реакції надмірну енергію, може опинитися у збудженому стані. Повертаючись у стан із нижчою енергією, він віддає надмірну енергію, випускаючи гамма-квант. Вивчення спектрів гамма-випромінювання дозволяє отримати важливу інформацію про будову ядер та ядерні взаємодії, подібно до того, як оптичні спектри допомагають зрозуміти будову атомів і молекул і сили, що в них діють.

Єльяшевич М.А. Атомна та молекулярна спектроскопія. М., 1962
Собельман І.І. Введення в теорію атомних спектрів. М., 1964

Яку аналогію можна навести як приклад при характеристиці спектра?

Жоден із джерел це не дає монохроматичного світла, тобто. світла чітко визначеної довжини хвилі. У цьому можна переконатися на дослідах розкладання світла в спектр за допомогою призми, а також досліди з інтерференції та дифракції.

Та енергія, яку несе із собою світло від джерела, певним чином розподілена хвилями всіх довжин, що входять до складу світлового пучка.

Для характеристики розподілу випромінювання за частотами необхідно запровадити нову величину: інтенсивність, що припадає одиничний інтервал частот. Цю величину називають спектральною густиною інтенсивності випромінювання.

Спектральну густину потоку випромінювання можна знайти експериментально. Для цього треба за допомогою призми отримати спектр випромінювання, наприклад електричної дуги, і виміряти щільність потоку випромінювання, що припадає на невеликі спектральні інтервали шириною Δν.

Покладатися на око в оцінці розподілу енергії не можна. Око має вибіркову чутливість до світла: максимум його чутливості лежить у жовто-зеленій області спектру. Найкраще скористатися властивістю чорного тіла майже повністю поглинати світло всіх довжин хвиль. При цьому енергія випромінювання (тобто світла) викликає нагрівання тіла. Тому достатньо виміряти температуру тіла і по ній судити про кількість поглиненої в одиницю часу енергії.

Спектри випромінювання

Спектральний склад випромінювання атомів різних речовин дуже різноманітний. Тим не менш, всі спектри можна розділити на три типи, що сильно відрізняються один від одного.

Суцільний (безперервний) спектр

Загострені тверді і рідкі тіла і гази (при великому тиску) випромінюють світло, розкладання якого дає суцільний спектр, в якому спектральні кольори безперервно переходять один до одного. Характер безперервного спектра і сам його існування визначаються як властивостями окремих випромінюючих атомів, а й взаємодією атомів друг з одним. Суцільні спектри однакові для різних речовин, тому їх не можна використовувати для визначення складу речовини.

Лінійчастий (атомний) спектр

Збуджені атоми розріджених газів або пари випромінюють світло, розкладання якого дає лінійний спектр, що складається з окремих кольорових ліній. Кожен хімічний елемент має характерний йому лінійний спектр. Атоми таких речовин не взаємодіють один з одним і випромінюють світло лише певних довжин хвиль. Ізольовані атоми даного хімічного елемента випромінюють певні довжини хвиль. Це дозволяє спектральним лініям судити про хімічному складі джерела світла.

Зазвичай для спостереження лінійчастих спектрів використовують свічення парів речовини в полум'ї або свічення газового розряду в трубці, наповненій газом, що досліджується. При збільшенні густини атомарного газу окремі спектральні лінії розширюються і, за дуже великої густини газу, коли взаємодія атомів стає суттєвим, ці лінії перекривають одна одну, утворюючи безперервний спектр.

Молекулярний (смугастий) спектр

Спектр молекули складається з великої кількості окремих ліній, що зливаються в смуги, чіткі з одного краю та розмиті з іншого. На відміну від лінійних спектрів смугасті спектри створюються не атомами, а молекулами, які не пов'язані або слабко пов'язані один з одним.Серії дуже близьких ліній групуються на окремих ділянках спектра та заповнюють цілі смуги.

У 1860 р. німецькі вчені Кірхгоф та Р. Бунзен, вивчаючи спектри металів, встановили такі факти:

1) кожний метал має свій спектр;

2) спектр кожного металу суворо постійний;

3) введення в полум'я пальника будь-якої солі того самого металу завжди призводить до появи однакового спектра;

4) при внесенні в полум'я суміші солей декількох металів у спектрі одночасно з'являються всі лінії;

5) яскравість спектральних ліній залежить від концентрації елемента у цій речовині.

Спектри поглинання

Якщо біле світло від джерела, що дає суцільний спектр, пропускається через пари досліджуваного речовини і потім розкладається в спектр, то на тлі суцільного спектра спостерігаються темні лінії поглинання в тих же місцях, де знаходилися б лінії спектру випускання парів досліджуваного елемента. Такі спектри одержали назву атомних спектрів поглинання.

Усі речовини, атоми яких у збудженому стані, випромінюють світлові хвилі, енергія яких певним чином розподілена по довжинах хвиль. Поглинання світла речовиною також залежить від довжини хвилі. Атоми поглинають випромінювання лише тих довжин хвиль, які можуть випускати при цій температурі.

Спектральний аналіз

Спектральним аналізом називається метод вивчення хімічного складу речовини, заснований на вивченні його спектрів. Окремі лінії спектрах різних елементів можуть збігатися, але загалом спектр кожного елемента є його індивідуальної характеристикою.

Спектральний аналіз зіграв велику роль науці.Наприклад, у спектрі Сонця (1814) були відкриті фраунгоферові темні лінії, походження яких пояснюється так. Сонце, будучи розпеченою газовою кулею (Т ~ 6000 °С), видає суцільний спектр. Сонячні промені проходять через атмосферу Сонця (сонячну корону, температура якої ~2000-3000 ° С. Корона поглинає із суцільного спектра випромінювання певної частоти, а на Землі реєструється сонячний спектр поглинання, за яким можна визначити, які хімічні елементи присутні в короні. спектрам поглинання на Сонці було виявлено всі земні елементи, а також невідомий раніше елемент, який назвали гелій. Через 26 років (1894) відкрили гелій на Землі. Завдяки спектральному аналізу на Землі було відкрито ще 25 хімічних елементів.

Фраунгоферові лінії дають інформацію не тільки про хімічний склад зірки, але і про її температуру та тиск на поверхні. Понад те, спектральний аналіз Сонця і зірок показав, що входять у склад хімічні елементи є і Землі, тобто. речовина Всесвіту складається з одного і того ж набору елементів.

Спектральні апарати

Спектроскопом називається прилад, за допомогою якого візуально досліджується спектральний склад світла, яке випускається деяким джерелом. Якщо реєстрація спектра відбувається на фотопластинці, то пристрій називається спектрографом.

Для точного дослідження спектрів такі прості пристрої, як вузька щілина, що обмежує світловий пучок, і призма, вже недостатні. Потрібні прилади, дають чіткий діапазон, тобто. прилади, які добре розділяють хвилі різної довжини і не допускають перекриття окремих ділянок спектру. Такі пристрої називають спектральними апаратами.Найчастіше основною частиною спектрального апарату є призма чи дифракційна решітка.

Розглянемо схему пристрою призменного спектрального апарату. Досліджуване випромінювання надходить спочатку частина приладу, звану колиматором. Коліматор є трубою, на одному кінці якої є ширма з вузькою щілиною, а на іншому - лінза, що збирає. Щілина знаходиться на фокусній відстані від лінзи. Тому світловий пучок, що розходиться, потрапляє на лінзу зі щілини, виходить з неї паралельним пучком і падає на призму.

Так як різним частотам відповідають різні показники заломлення, то з призми виходять паралельні пучки, що не збігаються у напрямку. Вони падають на лінзу. На фокусній відстані цієї лінзи розташовується екран - матове скло або фотопластинка. Лінза фокусує паралельні пучки променів на екрані, і замість одного зображення щілини виходить цілий ряд зображень. Кожній частоті (вузькому спектральному інтервалу) відповідає своє зображення. Всі ці зображення разом утворюють спектр.

Описаний прилад називається спектрографом . Якщо замість другої лінзи та екрану використовується зорова труба для візуального спостереження спектрів, то прилад називається спектроскопом .

Застосування спектрального аналізу

Лінійчасті спектри відіграють важливу роль, тому що їх структура прямо пов'язана з будовою атома. Адже ці спектри створюються атомами, які не мають зовнішніх впливів. Склад складних, головним чином органічних сумішей, аналізується за їх молекулярними спектрами.

За допомогою спектрального аналізу можна виявити цей елемент у складі складної речовини , навіть його маса вбирається у 10 -10 р. Лінії, властиві цьому елементу, дозволяють якісно судити про його наявність.Яскравість ліній дає можливість (за дотримання стандартних умов збудження) кількісно судити про те чи іншого елемента.

Спектральний аналіз можна проводити і за спектрами поглинання. В астрофізиці за спектрами можна визначити багато фізичних характеристик об'єктів : температуру, тиск, швидкість руху, магнітну індукцію та ін. за допомогою спектрального аналізу визначають хімічний склад руд та мінералів.

Основними напрямками застосування спектрального аналізу є: фізико-хімічні дослідження; машинобудування, металургія; атомна промисловість; астрономія, астрофізика; криміналістика.

Сучасні технології створення нових будівельних матеріалів (металопластикові, пластикові) безпосередньо взаємопов'язані з такими фундаментальними науками як хімія, фізика. Ці науки використовують сучасні методи дослідження речовин. Тому спектральний аналіз можна застосовувати визначення хімічного склад складу будівельних матеріалів за спектрами.

• Ви тут:
• Головна
• Фізика
• Спектри та спектральний аналіз