Спектральные линии это кратко

Обновлено: 30.06.2024

узкие участки в спектрах оптических (См. Спектры оптические), каждый из которых можно охарактеризовать определённой длиной волны λ (или частотой с — скорость света). С. л.

наблюдаются в спектрах испускания как светлые (цветные) линии на тёмном фоне, в спектрах поглощения — как тёмные линии на светлом фоне (см. рис). Каждая С. л. соответствует определённому квантовому переходу (См. Квантовые переходы) в атоме (молекуле, кристалле). С. л. не являются строго монохроматичными: каждая С. л. имеет некоторую ширину Δλ (см. Ширина спектральных линий).

Найдено 5 изображений:

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ, узкие участки в спектрах оптических, каждый из к-рых можно охарактеризовать определённой длиной волны (или частотой

где с - скорость света). С. л.

наблюдаются в спектрах испускания как светлые (цветные) линии на тёмном фоне, в спектрах поглощения - как тёмные линии на светлом фоне (см. рис. на вклейке к стр. 305). Каждая С. л. соответствует определённому квантовому переходу в атоме (молекуле, кристалле). С. л. не являются строго монохроматичными: каждая С. л. имеет нек-рую ширину (см. Ширина спектральных линий).

линии в спектрах испускания или поглощения атома (либо др. квант. системы), отвечающие определ. излучательным квантовым переходам. С. л. характеризуются узким интервалом частот (длин волн) — шириной спектральной линии. Миним. ширина С. л. наз. естественной или радиационной, она отвечает переходу в изолиров. атоме (или в системе неподвижных и невзаимодействующих атомов). С. л. дополнительно уширяется вследствие хаотич. теплового движения атомов или молекул (доплеровское уширение, (см. ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ)), Штарка эффекта или любого другого вз-ствия квант. системы. С. л. приближённо можно считать монохроматическими с длиной волны, отвечающей максимуму интенсивности С. л. испускания (или минимуму С. л. поглощения).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

узкие, почти монохроматич. участки в спектрах оптических испускания или поглощения вещества (см. Монохроматическое излучение). В обычных условиях отношение "ширины" Дельта v С. л. к соответствующей ей частоте v составляет Дельта v/v ~ 10 -5 10 -3 . Спец. методами (см. Мёссбауэра эффект, Лазер) можно получить очень узкие С. л. с Дельта v/v до 10 -16 .

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ, линии в спектрах электромагнитного излучения атомов, молекул и др. квантовых систем. Излучение, соответствующее данной спектральной линии, характеризуется определенной длиной волны (и, следовательно, частоты). Каждая спектральная линия отвечает определенному квантовому переходу. В соответствии с направлением перехода различают спектральные линии поглощения и испускания.

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ - линии в спектрах электромагнитного излучения атомов, молекул и др. квантовых систем. Излучение, соответствующее данной спектральной линии, характеризуется определенной длиной волны (и, следовательно, частоты). Каждая спектральная линия отвечает определенному квантовому переходу. В соответствии с направлением перехода различают спектральные линии поглощения и испускания.

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ , линии в спектрах электромагнитного излучения атомов, молекул и др. квантовых систем. Излучение, соответствующее данной спектральной линии, характеризуется определенной длиной волны (и, следовательно, частоты). Каждая спектральная линия отвечает определенному квантовому переходу. В соответствии с направлением перехода различают спектральные линии поглощения и испускания.

- линии в спектрах электромагнитного излучения атомов,молекул и др. квантовых систем. Излучение, соответствующее даннойспектральной линии, характеризуется определенной длиной волны (и,следовательно, частоты). Каждая спектральная линия отвечает определенномуквантовому переходу. В соответствии с направлением перехода различаютспектральные линии поглощения и испускания.

линии в спектрах эл.-магн. излучений атомов, молекул и др. квантовых систем. Излучение, соответствующее данной С. л., характеризуется определ. длиной волны (и, следовательно, частотой). Каждая С. л. отвечает определ. квантовому переходу. В соответствии с направлением перехода различают С. л. поглощения и испускания.

узкие участки в спектрах оптических, соответствующие практически одной частоте (длине волны). Каждая С. л. отвечает определенному квантовому переходу. Астрономический словарь.EdwART.2010.

- узкие (ширина много меньше длины волны) участки в спектрах, на к-рых интенсивность излучения усилина (линии излучения, или эмиссионные линии) либо ослаблена (линии поглощения, или абсорбционные линии) по сравнению с непрерывным спектром. Чаще всего С.л. возникают при переходах с одного на другой уровень энергии атомов, ионов, молекул и атомных ядер (см. Линейчатое излучение ). Возникновение С.л. может быть обусловлено циклотронным механизмом (см. Циклотронное излучение ), а также плазменными процессами.

Рис. 1. Спектральная линия поглощения на графике
зависимости интенсивности излучения от частоты .
- экстраполированная интенсивность непрерывного
спектра.

С.л. космич. объектов наблюдаются во всех спектральных диапазонах. В радиодиапазон попадают различные радиолинии молекул (см. Молекулы в межзвездной среде ), рекомбинационные радиолинии атомов, а также атомарные радиолинии, связанные со сверхтонким расщеплением уровней энергии (напр., Радиолиния водорода 21 см ). В ИК-диапазоне преобладают С.л., связанные с вращательными и колебательными переходами молекул, в видимом и УФ- диапазонах доминируют С.л. атомов и атомарных ионов, в звездах поздних спектральных классов - молекулярные линии. В рентг. диапазоне обнаружены линии излучения высокозарядных ионов (наиболее сильны линии ионов железа FeXXV и FeXXVI вблизи энергии 7 кэВ), а также циколтронные С.л. от нейтронных звезд. В гамма-диапазон попадают линия 511 кэВ, возникающая при аннигиляции позитрона и электрона (напр., в ядре Галактики), и С.л. атомных ядер.

Усиление (ослабление) излучения в С.л. по сравнению с непрерывным спектром в астрономии характеризуют величиной остаточной интенсивности - отношением интенсивности на частоте внутри линии к экстраполированной интенсивности на этой частоте в непрерывном спектре (рис. 1):
.

Рис. 2. Профиль спектральной линии.
Площадь прямоугольника ABCD равна
заштрихованной площади. MN - полуширина
линии.

Ф-ция, характеризующая зависимость остаточной интенсивности от частоты, наз. профилем С.л. (рис. 2). Полный поток излучения (или поглощенный поток) в единичном телесном угле во всех частотах внутри линии наз. полной интенсивностью С.л. и выражается площадью заштрихованной фигуры, изображенной на рис. 1. Величина, показывающая, какому участку непрерывного спектра в окрестности С.л. эквивалентна полная интенсивность С.л., наз. эквивалентной шириной С.л. (она равна ширине прямоугольника ABCD на рис. 2). Расстояние между теми точками профиля С.л., в к-рых интенсивность равна половине от максимальной, наз. полушириной С.л.

Наблюдаемый профиль С.л. обусловлен, во-первых, конечной разрешающей способностью спектрального прибора (т.н. инструментальным профилем). Изображение предельно узкой С.л. в реальном спектральном приборе получается несколько размытым, в частности из-за дифракции света в оптич. системе прибора. Во-вторых, имеет место естественная уширение С.л., вызванное воздействием различных физ. факторв на излучающую систему. Естественное уширение С.л. вызвано прежде всего радиац. затуханием - потерей атомов энергии на излучение. Затухающее колебание не явл. монохроматическим, а содержит целый набор (спектр) частот . С.л., уширенная вследствие радиац. затухания, имеет острый максимум и пологие крылья (рис. 3, а). В подавляющем большинстве случаев ширины С.л. во много раз превосходят радиац. ширины, а профили С.л. оказываются значительно более сложными, чем радиационные. Причины этого - Доплера эффект и т.н. эффекты давления (взаимодействие излучающего атома с окружающими его частицами). При максвелловском распределении атомов по скоростям (см. Максвелла распределение ) доплеровское уширение приводит к специфич. колоколообразной форме профиля при почти полном отсутствии крыльев (рис. 3, б). Доплеровские ширины С.л. при темп-рах порядка неск. тысяч К составляют 10 -1 -10 -2 (в видимом диапазоне) и особенно велики для H и He. Уширение из-за взаимодействия с окружающими частицами обусловлено смещением уровней энергии атома под действием межатомных электрич. полей (т.н. Штарка эффект ) и прямыми столкновениями атома с нейтральными частицами или электронами, приводящими к сокращению времени жизни атома в данном состоянии (т.н. затухание вследствие столкновений). Профиль линии в данном случае имеет пологие крылья и может оказаться смещенным. Уширение С.л. из-за взаимодействия с окружающими частицами возрастает с ростом концентрации возмущающих частиц. Возможно также уширение и ращепление С.л. под действием магн. поля, возмущающего излучающий атом (см. Зеемана эффект ).

Рис. 3. Профили спектральных линий: а - уширенной
вследствие радиационного затухания, б - вследствие
эффекта Доплера ( - интервал
изменения длины волны в единицах 10 -3 ).

Наличие линий поглощения в спектре звезды означает, что звездное вещество на частоте линии поглощает значительно сильнее, чем на частотах соседних участков спектра. Пожтому на частоте С.л. к наблюдателю приходит излучение от более высоких и разреженных частей звездных атмосфер. В этих условиях нет равновесия излучения с веществом: распределение атомов по энергетич. уровням и, следовательно, их излучение уже не определяется кинетич. темп-рой газа. В результате излучение, связанное с переходами атомов с одного уровня энергии на другой, ослабляется, появляется С.л. поглощения. Если темп-ра внеш. слоев звезды значительно выше, чем темп-ра фотосферы (как в солнечной хромосфере ), то могут появиться яркие С.л. ищлучения. Такие же линии могут существовать в спектре горячей звезды, если вокруг нее имеется протяженная оболочка, поглощающая непрерывное УФ-излучение звезды и перерабатывающая его в излучение С.л.

Если давление излучающего вещества мало и его турбулентные движения незначительны, С.л. имеют малую ширину и колоколообразную форму, т.е. обусловлены в основном эффектом Доплера, связанным с тепловым движением излучающих частиц. Такие узкие С.л. наблюдаются, напр., в спектрах звезд-сверхгигантов (рис. 4). При малых плотностях вещества, но очень большом различии (дисперсии) скоростей макроскопических движений контрур С.л. также имеет форму, близкую к колоколообразной, но сравнительно большой ширины. Такая картина наблюдается, напр., в протяженных атмосферах Вольфа-Райе звезд , где дисперсия скоростей макроскопич. движений достигает тысяч км/с, а соответствующие ширины С.л. - сотен ангстрем (рис. 5). При больших плотностяхвещства начинают сказываться эффекты давления, приводящие к появлению у С.л. развитых крыльев. Такие размытые С.л. наблюдаются в спектрах звезд-карликов (рис. 6). Т.о., исследование С.л. позволяет изучать физ. условия в атмосферах звезд различных спектральных классов, а также определять (см. светимости классы ) звезд.

Используя теорию уширения С.л. и теорию переноса излучения в звездных атмосферах, можно получить зависимость между эквивалентной шириной С.л. и величиной, пропорциональной концентрации атомов в соответствующем энергетич. состоянии (т.н. кривую роста ). Сравнение теоретич. кривых роста с кривыми, полученными из наблююдений, позволяет определять относительный хим. состав и турбулентные скорости в звездных атмосферах. Т.о. установлено, что наиболее обильный элемент, содержащийся в звездном веществе, - водород (составляет ок. 70% от массы всех элементов), следующий по распространенности элемент - гелий, затем идет углерод.

Исследование С.л. дает наиболее детальную информацию о физ. условиях на небесных телах, для к-рых удается получить достаточно подробные спектры.

Лит.:
Мустель Э.Р., Звездные атмосферы, М., 1960; Звездные атмосферы, пер. с англ., М., 1963; Теория звездных спектров, [под ред. В.В. Соболева], М., 1966; Мартынов Д.Я., Курс общей астрофизики, 3 изд., М., 1979; Соболев В.В., Курс теоретической астрофизики, 2 изд., М., 1975.

Спектра́льная ли́ния — узкий участок спектра электромагнитного излучения, где интенсивность излучения усилена либо ослаблена по сравнению с соседними областями спектра. В первом случае линия называется эмиссионной линией, во втором — линией поглощения. Положение линии в спектре обычно задаётся длиной волны, частотой или энергией фотона.

Чаще всего спектральные линии возникают при переходах между дискретными уровнями энергии в квантовых системах: молекулах, атомах и ионах, а также атомных ядрах. У каждого химического элемента атомы и ионы имеют собственную структуру энергетических уровней, и набор спектральных линий у них уникален, а значит, по спектральным линиям можно определять присутствие и количественное содержание тех или иных химических элементов в исследуемом объекте.

Спектральные линии имеют малую ширину, но они не монохромны. Распределение интенсивности излучения в линии называется профилем или контуром спектральной линии, вид которого зависит от множества факторов, называемых механизмами уширения. Среди них — естественная ширина спектральной линии, доплеровское уширение и другие эффекты.

Спектральные линии наблюдаются во всех диапазонах электромагнитного излучения: от гамма-лучей до радиоволн, причём линии в разных диапазонах обусловлены различными процессами: например, линии атомных ядер попадают в гамма- и рентгеновский диапазоны, а различные линии молекул — в основном в инфракрасный и радиоволновой диапазоны. Профили и характеристики спектральных линий содержат различную информацию об условиях среды, где они возникли.

Ни один из источников не дает монохроматического света, т.е. света строго определенной длины волны. В этом можно убедиться на опытах по разложению света в спектр с помощью призмы, а также опыты по интерференции и дифракции.

Та энергия, которую несет с собой свет от источника, определенным образом распределена по волнам всех длин, входящим в состав светового пучка.

Для характеристики распределения излучения по частотам нужно ввести новую величину: интенсивность, приходящуюся на единичный интервал частот. Эту величину называют спектральной плотностью интенсивности излучения.

Спектральную плотность потока излучения можно найти экспериментально. Для этого надо с помощью призмы получить спектр излучения, например, электрической дуги, и измерить плотность потока излучения, приходящегося на небольшие спектральные интервалы шириной Δν.

Полагаться на глаз при оценке распределения энергии нельзя. Глаз обладает избирательной чувствительностью к свету: максимум его чувствительности лежит в желто-зеленой области спектра. Лучше всего воспользоваться свойством черного тела почти полностью поглощать свет всех длин волн. При этом энергия излучения (т.е. света) вызывает нагревание тела. Поэтому достаточно измерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощенной в единицу времени энергии.

Спектры излучения

Спектральный состав излучения атомов различных веществ весьма разнообразен. Тем не менее, все спектры можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.

Сплошной (непрерывный) спектр

Накаленные твердые и жидкие тела и газы (при большом давлении) испускают свет, разложение которого дает сплошной спектр, в котором спектральные цвета непрерывно переходят один в другой. Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и взаимодействием атомов друг с другом. Сплошные спектры одинаковы для разных веществ, и поэтому их нельзя использовать для определения состава вещества.

Линейчатый (атомный) спектр

Возбужденные атомы разреженных газов или паров испускают свет, разложение которого дает линейчатый спектр,состоящий из отдельных цветных линий. Каждый химический элемент имеет характерный для него линейчатый спектр. Атомы таких веществ не взаимодействуют друг с другом и излучают свет только определенных длин волн. Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн. Это позволяет по спектральным линиям судить о химическом составе источника света.

Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.

Молекулярный (полосатый) спектр

Спектр молекулы состоит из большого числа отдельных линий, сливающихся в полосы, четкие с одного края и размытые с другого. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Серии очень близких линий группируются на отдельных участках спектра и заполняют целые полосы.

Спектр угольной дуги (полосы молекул CN и C₂)

Спектр испускания паров молекулы йода

Спектр молекулы Н₂

В 1860 г. немецкие ученые Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, изучая спектры металлов, установили следующие факты:

1) каждый металл имеет свой спектр;

2) спектр каждого металла строго постоянен;

3) введение в пламя горелки любой соли одного и того же металла всегда приводит к появлению одинакового спектра;

4) при внесении в пламя смеси солей нескольких металлов в спектре одновременно появляются все их линии;

5) яркость спектральных линий зависит от концентрации элемента в данном веществе.

Спектры поглощения

Если белый свет от источника, дающей сплошной спектр, пропускается через пары исследуемого вещества и затем разлагается в спектр, то на фоне сплошного спектра наблюдаются темные линии поглощения в тех же сам ых местах, где находились бы линии спектра испускания паров исследуемого элемента. Такие спектры получили название атомных спектров поглощения.

Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Атомы поглощают излучение лишь тех длин волн, которые они могут испускать при данной температуре.

Спектральный анализ

Спектральным анализом называется метод изучения химического состава вещества, основанный на исследовании его спектров. Отдельные линии в спектрах различных элементов могут совпадать, но в целом спектр каждого элемента является его индивидуальной характеристикой.

Спектральный анализ сыграл большую роль в науке. Например, в спектре Солнца (1814) были открыты фраунгоферовы темные линии, происхождение которых объясняется следующим образом. Солнце, являясь раскаленным газовым шаром (Т ~ 6000 °С), испускает сплошной спектр. Солнечные лучи проходят через атмосферу Солнца (солнечную корону, температура которой ~2000— 3000 °С. Корона поглощает из сплошного спектра излучение определенной частоты, а на Земле регистрируется солнечный спектр поглощения, по которому можно определить, какие химические элементы присутствуют в короне Солнца. По спектрам поглощения на Солнце были обнаружены все земные элементы, а также неизвестный ранее элемент, который назвали гелий. Через 26 лет (1894) открыли гелий на Земле. Благодаря спектральному анализу на Земле было открыто еще 25 химических элементов.

Фраунгоферовы линии дают информацию не только о химическом составе звезды, но и о ее температуре и давлении на поверхности. Более того, спектральный анализ Солнца и звезд показал, что входящие в их состав химические элементы имеются и на Земле, т.е. вещество Вселенной состоит из одного и того же набора элементов.

Спектральные аппараты

Спектроскопом называется прибор, с помощью которого визуально исследуется спектральный состав света, испускаемого некоторым источником. Если регистрация спектра происходит на фотопластинке, то прибор называется спектрографом.

Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т.е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.

Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата. Исследуемое излучение поступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом - собирающая линза. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на призму.

Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии этой линзы располагается экран - матовое стекло или фотопластинка. Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.

Описанный прибор называется спектрографом . Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называется спектроскопом .

Применение спектрального анализа

Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Состав сложных, главным образом органических смесей анализируется по их молекулярным спектрам.

С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества , если даже его масса не превышает 10 -10 г. Линии, присущие данному элементу, позволяют качественно судить о его наличии. Яркость линий дает возможность (при соблюдении стандартных условий возбуждения) количественно судить о наличии того или иного элемента.

Спектральный анализ можно проводить и по спектрам поглощения. В астрофизике по спектрам можно определить многие физические характеристики объектов : температуру, давление, скорость движения, магнитную индукцию и др. с помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.

Основные направления применения спектрального анализа таковы: физико-химические исследования; машиностроение, металлургия; атомная индустрия; астрономия, астрофизика; криминалистика.

Современные технологии создания новейших строительных материалов (металлопластиковые, пластиковые) непосредственно взаимосвязаны с такими фундаментальными науками как химия, физика. Данные науки используют современные методы исследования веществ. Поэтому спектральный анализ можно применять для определения химического состав состава строительных материалов по их спектрам.

Читайте также: