Спектр – это последовательность спектральных цветов, упорядоченная по возрастанию длины волны. Он появляется при прохождении светового луча через преломляющуюся среду.
Распределение энергии в спектре
Опыты по разложению света в спектр с участием призмы, по интерференции и дифракции показывают различные оптические процессы. Таким образом, они подтверждают, что источники не дают монохроматического света, длина волн которого строго определена.
Свет несёт определённую энергию от источника теплового излучения, которая распределяется неравномерно по волнам или частотам всех длин волн в составе светового пучка. Альтернативно эта энергия распределяется на единичном интервале длин волн.
Интенсивность электромагнитного потока определяется отдельной энергией. Чтобы охарактеризовать распределение излучения по частотам, вводится новая величина – спектральная плотность потока излучения.
Спектральная плотностью потока излучения – это интенсивность излучения, приходящегося на единичный интервал частот.
Физика 11 класс (Урок№19 — Излучение и спектры.)
Плотность потока излучения получается при суммировании выражений, характеризующих интенсивность излучения на небольших спектральных интервалах.
Обычно спектральная плотность излучения на различных частотах находится экспериментально. Используя призму, экспериментаторы получают спектр излучения определённого предмета и измеряют плотность потока излучения на спектральных интервалах маленькой ширины.
Определить распределение энергии с помощью наблюдения невозможно, ведь человеческий глаз избирательно чувствителен к световым волнам: наши зрительные органы концентрируются в жёлто-зелёной области спектра. Лучших вариантом станет использование основного свойства абсолютно чёрного тела: поглощение света всех длин волн.
Падая на поверхность тела, энергия света (излучения) вызывает его нагревание. Это означает, что судить о количестве энергии, излучаемой телом, можно, измерив температуру этого тела.
Закончив опыты, экспериментаторы построили кривую зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты.
Такое наглядное представление информации даёт понять о распределении энергии в видимой части спектра тела.
Спектральные аппараты
Спектральные аппараты – это приборы, которые дают чёткий спектр. Под этим подразумевается хорошее разделение различных волн и не допущение перекрывания каких-либо участков спектра. Основная часть спектральных аппаратов – призма или дифракционная решётка.
Чтобы понять принцип устройства и работы, обратим внимание на схему призменного спектрального аппарата:
При проведении исследования излучение попадает в трубку, один конец которой представлен ширмой с узкой щелью, а другой – собирающей линзой L1. Эта часть спектрального аппарата называется коллиматором, её составляющие находятся на фокусном расстоянии от линзы. Этот фактор обеспечивает падение расходящегося светового пучка параллельно на призму Р.
Дисперсия и спектр света
Выходящие из призмы параллельные пучки имеют разные направления, потому что им соответствуют разные частоты и показатели преломления. Все направления в итоге ведут к линзе L2, на фокусном расстоянии от которой располагается экран (матовое стекло или фотопластинка). Таким образом, фокусировка лучей обеспечит получение множества разных изображений, образующих спектр.
Второе название представленного прибора – спектрограф. Замена второй линзы и экрана на зрительную трубу для визуального наблюдения спектров переименует его в спектроскоп.
Виды спектров
Все спектры разделяются на три типа:
- Непрерывные (сплошные);
- Линейчатые;
- Полосатые.
Непрерывные (сплошные) спектры
Непрерывный (сплошной) спектр – это спектр, представляющий волны всех длин волн в данном диапазоне. Ярким примером являются солнечный спектр и спектр дугового фонаря. В них нет разрывов – на экране спектрографа наблюдается сплошная полоса разных цветов.
Появление подобного перехода объясняется кривой зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты:
Мы наблюдаем, что распределение энергии по частотам (спектральная плотность интенсивности излучения) различно для разных тел. Возьмём тело с очень тёмной поверхностью (лучше даже абсолютно чёрное тело). Оно излучает электромагнитные волны всех частот, однако свой максимум представленная кривая обретает лишь при определённой частоте. Остальные показатель частоты стремятся либо к нулю, либо – к бесконечности, поэтому энергия излучения очень маленькая. Если же повысить температуру исследуемого тела, то максимум спектральной плотности излучения сместится к коротким волнам.
Говоря об агрегатном состоянии веществ, дающих непрерывные (сплошные) спектры, следует упомянуть твёрдые тела, жидкости и сильно сжатые газы. Высокотемпературная плазма также даёт именно такие спектры.
Итак, непрерывный спектр значительно зависит от взаимодействия атомов друг с другом. Для его получения тело следует нагреть до высоких температур. Полная излучательная способность тела прямо пропорциональна четвёртой степени его абсолютной температуры.
Линейчатые спектры
Поднесём к небольшому пламени газовой горелки кусочек асбеста, предварительно смоченный раствором обыкновенной поваренной соли. Наблюдая пламя в спектроскоп, увидим на экране яркую жёлтую линию. Подобному цвету соответствуют пары натрия, образующиеся при расщеплении молекул поваренной соли (хлорида натрия) в пламени.
Во время этого опыта мы также будем наблюдать спектры водорода и гелия.
Линейчатый спектр – это спектр, который представляет собой цветные линии разной яркости, разделённые широкими тёмными полосами.
Наблюдение линейчатого спектра означает излучение веществом света лишь в определённых очень узких спектральных интервалах. Примерное распределение спектральной плотности интенсивности излучения в линейчатом спектре показано на следующем графике зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты:
Каждая изображённая линия спектра обладает конечной шириной.
Любое вещество в газообразном атомарном (не молекулярном) состоянии даст линейчатый спектр. Например, свет излучает атомы, практически не взаимодействующие друг с другом. Изолированные атомы излучают свет строго определённых длин волн. Этот тип спектров фундаментальный и основной.
Часто линейчатые спектры наблюдают при помощи свечения паров вещества в пламени или свечении газового разряда в трубке, наполненной необходимым для исследования газом.
Полосатые спектры
Полосатый спектр — это спектр, который состоит из отдельных полос, разделённых тёмными промежутками.
Качественный спектральный аппарат даёт возможность обнаружить, что каждая полоса на полосатом спектре – это совокупность большого количество тесно расположенных линий.
Линейчатые спектры образуются атомами, а полосатые молекулами, которые не связаны или слабо связаны друг с другом. Однако наблюдаются эти спектры оба при помощи свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда.
Спектры поглощения
Спектр поглощения – это совокупность тёмных линий на фоне непрерывного спектры (линий поглощения).
Световые волны излучает все вещества, атомы которых находятся в возбуждённом состоянии. Энергия этих волн определённым образом распределяется по длинам волн, ведь поглощение волн также зависит от длин волн. Например, через красное стекло проходят волны, соответствующие красному свету по длине волны, а поглощаются все остальные.
Когда белый свет пропускается сквозь холодный, не излучающий газ, на фоне непрерывного спектра источника появляются тёмные линии. Газ интенсивно поглотит длины волн, которые он сам испускает в сильно нагретом состоянии.
Спектральный анализ
Наибольшее значение из всех видов спектров имею линейные, ведь их структура тесно связана со строением атома. Длины волн такого спектра зависят от свойств атомов исследуемого вещества, а не от способа возбуждения свечения атомов. Атомы каждого химического элемента дают свой индивидуальный спектр из определённого набора длин волн, непохожий на спектры других элементов.
Спектральный анализ – это метод определения химического состава вещества по его спектру. Он позволяет обнаружить любой элемент в составе сложного вещества, даже при незначительной массе. Спектральный анализ требует большой точности.
Сейчас у учёных и исследователей уже составлена таблица спектров, в которой представлены спектры всех атомов. Во время её составления были обнаружены многие химические элементы, например рубидий и цезий. Их названия соответствуют цвету основных линий их спектров: рубидий – тёмно-красный, рубиновый, цезий – небесно-голубой.
Этот метод анализа достаточно прост и универсален, поэтому его используют для контроля состава веществ в металлургии, машиностроении и атомной индустрии. Химический состав руд и минералов также определяется с помощью спектрального анализа.
Спектральный анализ проводится не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно так спектральный анализ позволил определить химических состав Солнца и других звёзд. Поверхность Солнца светится очень ярко, что даёт на экранах непрерывный спектр. Атмосфера Солнца избирательно поглощает этот свет, следовательно, на фоне непрерывного спектра появляются линии поглощения.
Однако атмосфера излучает и собственный свет. Таким образом, под спектральным анализом астрофизика подразумевает и определение химического состава небесных тел, и нахождение многих физических характеристик (температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции).
- Учебник по физике. Все классы
- ЕГЭ по физике
- ОГЭ по физике
- ВПР по физике
- Темы по физике
Источник: dzodzo.ru
Что такое спектр света в физике
Физика
Электродинамика
Магнитное поле
Механические колебания
Электромагнитные колебания
Механические волны
Электромагнитные волны
Оптика
Геометрическая оптика
Задачи на сферическое зеркало
Линза
Волновая оптика
Основы теории относительности
Основы квантовой физики
Излучения и спектры
Световые кванты
Атомная физика
Ядерная физика
Физика элементарных частиц
Открытие позитрона. Античастицы
Современная физическая картина мира
Современная физическая картина мира
Строение Вселенной
Строение Вселенной
Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд
Наша галактика и другие галактики
Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной
Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов
«Красное смещение» в спектрах галактик
Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной
Наблюдение солнечных пятен, звёздных скоплений, туманностей и галактик
Медиаматериалы
Источник: light-fizika.ru
Спектр излучения
Спектр излучения — это спектр излучения, испускаемого источником (этот термин также может обозначать характеристическую кривую, которая строится на его основе). Он представляет вклад различных излучений, составляющих это излучение, в зависимости от их длины волны.
С помощью спектрографа можно записать спектр излучения для последующего изучения. Излучающий спектр характерен для вида, который является его источником, и поэтому он позволяет идентифицировать его.
Непрерывные спектры
Спектр, полученный при разложении света, излучаемого Солнцем, называется «непрерывным спектром». Он предлагает палитру всех цветов радуги, не прерываясь между ними. В более общем случае, свет, излучаемый телами под высоким давлением и при высокой температуре, имеет непрерывный спектр. Однако непрерывный спектр обычно содержит длину волны, для которой интенсивность сильнее, чем для остальных.
Определение этой конкретной длины волны позволяет установить температуру излучающего тела. Фактически, непрерывные спектры являются результатом излучения электронов, ускоренных тепловым возбуждением. Это называется «тепловым излучением». Чем короче длина волны, тем выше температура.
Линейчатые спектры, полосные спектры
Свет, излучаемый газом при низком давлении, но при высокой температуре, со своей стороны, приводит к формированию линейчатого спектра. Он состоит из тонких и интенсивных линий, соответствующих определенным длинам волн и выделяющихся на черном фоне. Благодаря цвету и положению этих линий можно охарактеризовать атомы газа, излучающие анализируемый свет, поскольку они соответствуют переходам электронов между энергетическими уровнями атома.
Аналогично, спектры полос соответствуют переходам между полосами энергетических уровней. Они, в свою очередь, показывают природу молекул, из которых состоит излучающий газ.
Применение, связанное со спектром излучения: изучение звезд
Изучение спектров излучения, а также спектров поглощения позволяет получить информацию (температура, химический состав, физические характеристики) об источниках света. Так обстоит дело, например, со звездами, которые напрямую недоступны для экспериментов.
Источник: new-science.ru
Полосатые и линейчатые спектры
Если солнечный свет проходит через стеклянную призму либо дифракционную решетку, тогда появляется хорошо известный всем непрерывный спектр (рисунок 1 ).
Рисунок 1 . Непрерывный спектр
Всякий атомарный разреженный газ издает свет с линейчатым спектром. Кроме того, для всякого химического элемента спектр испускания уникальный, поскольку играет роль «удостоверения личности» данного элемента. Набор линий спектра испускания однозначно говорит, какой химический элемент перед нами.
Так как газ разрежен и атомы слабо взаимодействуют друг с другом, делаем заключение, что свет излучают атомы сами по себе. Поэтому атом характеризуется дискретным, строго определенным набором длин волн испускаемого света. Каждый химический элемент, как мы уже отметили, имеет свой набор.
Спектр поглощения
Атомы испускают свет, переходя из возбужденного состояния в основное. Однако вещество может не только испускать, но и поглощать свет. Атом, поглощий свет, совершает обратный процесс – преобразуется из основного состояния в возбужденное.
Вновь рассмотрим разреженный атомарный газ, но уже в холодном состоянии (то есть при довольно низкой температуре). Свечения газа происходить не будет, поскольку в не нагретом состоянии газ не излучает свет, атомов в возбужденном состоянии оказывается для этого очень мало.
Если сквозь холодный газ проходит свет с непрерывным спектром, тогда появляется картина, как на рисунке 3 .
Рисунок 3 . Линейчатый спектр поглощения
Идея спектрального анализа несложная: спектр излучения анализируемого вещества сопоставляется с эталонными спектрами химических элементов, после чего делается заключение о наличии или отсутствии того или иного химического элемента в этом веществе. При определенных обстоятельствах методом спектрального анализа определяют качественный и количественный состав химического элемента.
В конце наблюдения разных спектров появились новые химические элементы.
Первыми такими элементами были цезий и рубидий. Они были названы по цвету линий своего спектра (в спектре цезия ярко выражены 2 линии небесно-синего цвета, по-латыни называемого “caesius”; рубидий, в свою очередь, испускает 2 характерные линии рубинового цвета).
В 1868 -м г. в спектре солнечного света ученые обнаружены линии, не соответствующие ни одному из открытых на то время химических элементов. Новый элемент назвали гелием (от греческого “гелиос” означает “солнце”). В дальнейшем гелий обнаружили в атмосфере Земли.
Нужно отметить, что спектральный анализ излучения Солнца и звёзд показал: все входящие в их состав элементы имеются и на планете Земля. Таким образом, оказалось, что все объекты нашей Вселенной собраны из одного и того же химического набора.
Источник: zaochnik.com