Спектры и спектральный анализ. Спектры и спектральный анализ
 Скачать 20.33 Kb.
|
|
Спектры и спектральный анализ. Как показали опыты Ньютона, белый свет является сложным: пройдя через призму, он разлагается на пучки различных цветов, которые образуют на экране разноцветную полоску, называемую спектром. Отдельные цветные лучи, которые после прохождения призмы не разлагались на составляющие, были названы простыми или монохроматическими. Однако даже современные лазеры не дают чистого монохроматического света, то есть света строго определённой, одной длины волны. Та энергия, которую несёт с собой свет от источника теплового излучения, неравномерно распределена по всем частотам волн, входящих в состав светового пучка. При исследовании света, излучаемого нагретыми телами (Солнца, пламени свечи или лампы накаливания), изображения щели сливаются в одну цветную полосу́ всех основных цветов. Поскольку в таких спектрах нет пустых промежутков, то их принято называть непрерывными или сплошными. Помимо раскалённых твёрдых тел и жидкостей, сплошной спектр дают также пары́ и газы, находящиеся под очень большим давлением. В 1853—1854 годах немецкий химик-экспериментатор Роберт Вильгельм Бунзен совместно с Питером Десагой изобрели специальную газовую горелку, которую сейчас принято называть бунзеновской. Это изобретение стало трамплином в изучении спектров различных веществ. Оказалось, что вещества, внесённые в пламя этой горелки, превращались в пар и окрашивали пламя в различные цвета. Например, медь окрашивала пламя в зелёный цвет, поваренная соль — в жёлтый, а литий — в малиново-красный. В 1854 году друг Бунзена немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф предложил пропускать свет такого пламени через призму. Оказалось, что если в пламя горелки внести кусочек асбеста, смоченный, например, раствором обычной поваренной соли, то на бледном фоне сплошного спектра горелки возникнет яркая жёлтая линия, которую дают пары натрия. Если же в пламя горелки внести литий или стронций, то пламя окрасится в малиново-красный цвет. Однако если изучить спектр такого пламени, то окажется, что он существенно различается для паров лития и стронция. Так, после прохождения через призму свет литиевого пламени даёт яркие зелёную, малиновую и слабую оранжевую линии. А вот стронций — слабую фиолетовую, три голубых линии, две красных и слабую оранжевую. Спектры, представляющие собой цветные линии различной яркости, разделённые широкими тёмными полосами, называют линейчатыми спектрами. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только в определённых очень узких спектральных интервалах. Линейчатый спектр часто называют фундаментальным, так как излучения атомов каждого химического элемента имеет уникальный набор спектральных линий: не существует двух химических элементов, атомы которых излучали бы одинаковый спектр. Линейчатые спектры дают все вещества, находящиеся в атомарном (но не молекулярном) состоянии. Если же газ находится в молекулярном состоянии, то спектр его излучения будет представлять собой отдельные полосы, разделённые тёмными промежутками. Такой спектр называют полосатым. С помощью спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса такого спектра представляет собой совокупность большого числа тесно расположенных линий. Описанные выше спектры получались при разложении излучаемого света самосветящимися телами. Такие спектры называют спектрами испускания или эмиссионными спектрами. Но кроме них существуют ещё и спектры поглощения. В 1859 году Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф установили, что линии поглощения находятся в тех же участках спектра, где должны быть расположены яркие линии в линейчатом спектре испускания, присущие данному веществу. На основе этих наблюдений Кирхгоф сформулировал закон обратимости спектральных линий: атомы менее нагретых тел поглощают из сплошного спектра только те частоты, которые в других условиях они испускают. Например, если пропускать белый свет сквозь холодный, не излучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются тёмные линии, соответствующие длинам волн, которые газ испускает в сильно нагретом состоянии. Метод определения химического состава вещества по его спектру называют спектральным анализом. Основоположниками данного метода являются Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф. Открытие спектрального анализа ознаменовало появление нового раздела физики — спектроскопии, изучающей спектры электромагнитного излучения. Спектральный анализ базируется на двух основных положениях: каждый химический элемент или химическое соединение характеризуется определённым спектром; интенсивность линий и полос в спектре зависит от концентрации того или иного элемента в веществе. При выполнении спектрального анализа вещества с неизвестным химическим составом его сначала приводят в атомарное состояние, сообщая атомам большую энергию. Чаще всего для этих целей используются высокотемпературные источники света, в которые помещается исследуемое вещество в виде порошка или аэрозоля. Затем при помощи спектрографа получают фотографию спектров. Сравнивая полученный линейчатый спектр с известными спектрами химических элементов, можно определить, какие элементы присутствуют в составе исследуемого вещества. Благодаря относительной простоте и достаточной универсальности спектральный анализ является основным методом для контроля состава вещества в машиностроении и металлургии, атомной индустрии. С его помощью определяется химический состав руд и минералов, определяется возраст археологических находок. Спектральный анализ можно проводить не только со спектрами испускания, но и со спектрами поглощения. Именно линии поглощения в спектрах не только Солнца, но и других звёзд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Так, например, при изучении спектра солнечной атмосферы 18 августа 1868 года был открыт ранее неизвестный химический элемент, названный гелием (от греческого слова «гелиос» — Солнце). А на Земле этот газ был обнаружен лишь в 1881 году итальянцем Луи́джи Пальмье́ри в вулканических газах фумарол. Спектральный анализ в астрофизике даёт возможность определять не только химический состав звёзд и газопылевых облаков, но и некоторые другие физические характеристики, например, температуру, давление, скорость движения небесного тела и индукцию его магнитного поля. |