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.

https://ege-study.ru/wp-content/uploads/2016/04/St38_01.jpg

Непрерывный (сплошной) спектр — разновидность спектра, в которой присутствуют все длины волн видимого диапазона (от красной границы до фиолетовой).

Излучения, обладающие непрерывным спектром:

  • свет, излучаемый Солнцем;
  • искусственный свет от лампы дневного освещения;
  • любые твердые и жидкие тела, плотные газы, нагретые до высокой температуры.

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;
  • 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 очень высокой температуры), мы сможем наблюдать такую картину, как на картинке ниже.

https://ege-study.ru/wp-content/uploads/2016/04/St38_02.jpg

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).

https://ege-study.ru/wp-content/uploads/2016/04/St38_03.jpg

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.

https://ege-study.ru/wp-content/uploads/2016/04/St38_04.jpg

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.

Задание EF18348

На рисунке приведены спектр поглощения неизвестного газа и спектры поглощения атомарных паров известных элементов. По виду спектров можно утверждать, что неизвестный газ содержит атомы

Ответ:

а) азота (N), магния (Mg) и другого неизвестного вещества

б) только азота (N)

в) только магния (Mg)

г) только магния (Mg) и азота (N)

Алгоритм решения

  1. Определить, при каком условии можно считать, что данный химический элемент входит в состав неизвестного газа.
  2. Сравнить спектр поглощения неизвестного газа и магния. Сделать вывод о том, присутствует ли магний в газе.
  3. Сравнить спектр поглощения неизвестного газа и азота. Сделать вывод о том, присутствует ли азот в газе.
  4. Установить, содержит ли неизвестный газ какие-либо еще элементы.

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.

Ответ: а

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF18254

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

Ответ:

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

  1. Определить, при каком условии можно считать, что данный химический элемент входит в состав неизвестного газа.
  2. Сравнить спектр поглощения неизвестного вещества и водорода. Сделать вывод о том, присутствует ли водород в веществе.
  3. Сравнить спектр поглощения неизвестного вещества и гелия. Сделать вывод о том, присутствует ли гелий в веществе.
  4. Сравнить спектр поглощения неизвестного вещества и натрия. Сделать вывод о том, присутствует ли натрий в веществе.
  5. Установить, содержит ли неизвестный газ какие-либо еще элементы.

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.

Ответ: г

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF17744

На рисунках А, Б и В приведены спектры излучения паров кальция Ca, стронция Sr и неизвестного образца.

Можно утверждать, что в неизвестном образце

Ответ:

а) не содержится стронция

б) не содержится кальция

в) содержатся кальций и ещё какие-то элементы

г) содержится только кальций

Алгоритм решения

  1. Определить, при каком условии можно считать, что данный химический элемент входит в состав неизвестного образца.
  2. Сравнить спектр излучения неизвестного образца и стронция. Сделать вывод о том, присутствует ли стронций в составе образца.
  3. Сравнить спектр излучения неизвестного образца и кальция. Сделать вывод о том, присутствует ли кальций в составе образца.
  4. Установить, содержит ли неизвестный газ какие-либо еще элементы.
  5. Выбрать подходящее утверждение.

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.

Ответ: б

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить


Алиса Никитина | 📄 Скачать PDF | Просмотров: 1.2k | Оценить:

Добавить комментарий



Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *