Что такое спектр кратко
Обновлено: 04.07.2024
Виды спектров
Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен.
Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа.
Непрерывные спектры
Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным.
Это означает, что в спектре представлены волны всех длин волн.
В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу.
Распределение энергии по частотам, т. е. спектральная плотность интенсивности излучения, для разных тел различно.
Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты имеет максимум при определенной частоте vmax.
Энергия излучения, приходящаяся на очень малые (ν → 0) и очень большие (ν → ∞) частоты, ничтожно мала.
При повышении температуры тела максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.
Непрерывные (или сплошные) спектры
Непрерывные (или сплошные) спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы.
Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.
Характер непрерывного спектра и сам факт его существования не только определяются свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.
Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма.
Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновениях электронов с ионами.
Линейчатые спектры
Если внести в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченный раствором обыкновенной поваренной соли, то при наблюдении пламени в спектроскоп видно, как на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия.
Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени.
Каждый из спектров — это частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами.
Такие спектры называются линейчатыми.
Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах).
Примерное распределение спектральной плотности интенсивности излучения в линейчатом спектре дано на рисунке.
Каждая линия имеет конечную ширину.
Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии.
В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом.
Это самый фундаментальный, основной тип спектров.
Изолированные атомы излучают свет строго определенных длин волн.
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, наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.
Полосатые спектры
Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками.
С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий.
В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры образуются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда.
Спектры поглощения
Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны.
Энергия этих волн определенным образом распределена по длинам волн.
Поглощение света веществом также зависит от длины волны.
Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету (λ ≈ 8 • 10 -5 см), и поглощает все остальные.
Если пропускать белый свет сквозь холодный, не излучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии.
Газ поглощает наиболее интенсивно свет именно тех длин волн, которые он сам испускает в сильно нагретом состоянии.
Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.
Итак,
Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и столько же видов спектров поглощения.
Спектральный анализ
Линейчатые спектры имеют большое значение, потому что их структура тесно связана со строением атома.
Главное свойство линейчатых спектров в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов.
Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго определенный набор длин волн.
На этом и основан спектральный анализ — метод определения химического состава вещества по его спектру.
Подобно отпечаткам пальцев у людей, линейчатые спектры различных элементов имеют неповторимую индивидуальность.
Благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить, из каких элементов состоит тело.
С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10 -10 г.
Это очень чувствительный метод.
Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения.
Так, при низких температурах многие спектральные линии вообще не появляются.
Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный (а не только качественный) спектральный анализ.
Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии.
С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.
Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам.
Спектральный анализ можно проводить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения.
Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел.
Ярко светящаяся поверхность Солнца—фотосфера — дает непрерывный спектр.
Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.
В астрофизике под спектральным анализом понимают не только определение химического состава звезд, газовых облаков и т. д., но и методы нахождения по спектрам многих других физических характеристик этих объектов: температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции.
Излучение и спектры. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика
Спектр в очень большой отражательной
Спектр (лат. spectrum — видимое, от лат. specter — виде́ние) — множество значений физической величины, или распределение их, согласно определённому параметру (например значений энергии, частоты или массы). Графическое представление спектрального распределения называется спектральной диаграммой.
Электромагнитный спектр (свет выдвинут на первый план)
Содержание
Восприятие спектра цветов
Рис.3,Схема спектра основных цветов и их смешения
История
Спектроскоп Бунзена, Annalen der Physik und der Chemie (Poggendorff), Vol. 110 (1860).
В связи с выполненным мною совместно с Бунзеном исследованием спектров окрашенных пламеней (пламя), благодаря которому стало возможным определить качественный состав сложных смесей по виду их спектров в пламени паяльной лампы, я сделал некоторые наблюдения, приводящие к неожиданному выводу о происхождении фраунгоферовых линий и позволяющие по ним судить о вещественном составе атмосферы Солнца и, возможно, также ярких неподвижных звезд…
…окрашенные пламени (пламя), в спектрах которых наблюдаются светлые резкие линии, так ослабляют проходящие через них лучи того же света, что на месте светлых линий появляются темные, если только за пламенем находится источник света достаточно большой интенсивности, в спектре которого эти линии обычно отсутствуют. Я далее заключаю, что темные линии солнечного спектра, не обязанные своим появлением земной атмосфере, возникают из-за присутствия в раскаленной атмосфере Солнца таких веществ, которые в спектре пламени на том же самом месте дают светлые линии. Следует принять, что совпадающие с D светлые линии в спектре пламени всегда вызываются находящимся в нём натрием, поэтому темные линии D солнечного спектра позволяют заключить, что в атмосфере Солнца имеется натрий. Брюстер нашёл в спектре пламени селитры светлые линии на месте фраунгоферовых линий А, а, В; эти линии указывают на присутствие калия в солнечной атмосфере
Оптический линейчатый эмиссионный спектр азота
Примечательно, что эта работа 1842 году , основоположник позитивизма и социологии Огюст Конт в качестве примера непознаваемого привёл именно химический состав Солнца и звёзд:
Мы понимаем, как определить их форму, расстояния до них, их массу и их движения, но мы никогда не сможем ничего узнать об их химическом и минералогическом составе
Работа Кирхгофа позволила объяснить природу фраунгоферовых линий в спектре Солнца и определить химический (или, точнее, элементный) состав его атмосферы.
Спектральный анализ открыл новую эпоху в развитии науки — исследование спектров как наблюдаемых наборов значений функции состояния объекта или системы оказалось чрезвычайно плодотворным и, в конечном итоге, привело к появлению квантовой механики: Планк пришёл к идее кванта в процессе работы над теорией спектра абсолютно чёрного тела.
В 1910 году были получены первые неэлектромагнитные спектры: Дж. Дж. Томсон получил первые 1919 году ЯМР-спектроскопия, являющаяся сейчас одним из основных методов установления и подтверждения пространственной структуры органических соединений), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), циклотронного резонанса (ЦР), ферромагнитного (ФР) и антиферромагнитного резонанса (АФР).
Другим направлением спектральных исследований, связанным с развитием радиотехники, стала обработка и анализ первоначально звуковых, а потом и любых произвольных сигналов.
Типы спектров
По характеру распределения значений физической величины спектры могут быть атома; примерами непрерывных спектров — спектр электромагнитного излучения нагретого твердого тела и спектр свободно-свободных электронных переходов атома; примерами комбинированных спектров — спектры излучения звёзд, где на сплошной спектр фотосферы накладываются хромосферные линии поглощения или большинство звуковых спектров.
Спектр - совокупность значений, которые может принимать физическая величина, характеризующая некоторую систему или некоторый процесс
Оптический спектр - спектр излучения или спектр поглощения оптического излучения. Различают:
- линейчатые оптические спектры;
- полосатые оптические спектры, состоящие из групп близких спектральных линий;
- сплошные оптические спектры, соответствующие излучению или поглощению электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн.
Сплошной спектр,
непрерывный спектр, спектр электромагнитного излучения, распределение энергии в котором характеризуется непрерывной функцией частоты излучения [j(n)] или длины его волны [f(l), см. Спектры оптические] . Для С. с. функция (j(n) [или f(l)] слабо изменяется в достаточно широком диапазоне n (или l), в отличие от линейчатых и полосатых спектров, когда j(n) имеет при дискретных значениях частоты n = n1, n2, n3. выраженные максимумы, очень узкие для спектральных линий и более широкие для спектральных полос. В оптической области при разложении света спектральными приборами С. с. получается в виде непрерывной полосы (при визуальном наблюдении или фоторегистрации; см. рис. ) или плавной кривой (при фотоэлектрической регистрации) . С. с. наблюдаются как в испускании, так и в поглощении. Примером С. с. , охватывающего весь диапазон частот и характеризуемого вполне определённым спектральным распределением энергии, является спектр равновесного излучения. Он характеризуется Планка законом излучения.
В некоторых случаях возможны наложения линейчатого спектра на сплошной.
Например, в спектрах Солнца и звёзд на С. с. испускания могут накладываться как дискретный спектр поглощения (фраунгоферовы линии) , так и дискретный спектр испускания (в частности, спектральные линии испускания атома водорода) .
Согласно квантовой теории, С. с. возникает при квантовых переходах между двумя совокупностями уровней энергии, из которых по крайней мере одна принадлежит к непрерывной последовательности уровней (к непрерывном у энергетическому спектру) . Примером может служить С. с. атома водорода, получающийся при переходах между дискретными уровнями энергии с различными значениями квантового числа n и непрерывной совокупностью уровней энергии, лежащих выше границы ионизации (свободносвязанные переходы, см. рис. 1, б в ст. Атом) ; в поглощении С. с. соответствует ионизации атома Н (переходы электрона из связанного состояния в свободное) , в испускании - рекомбинации электрона и протона (переходы электрона из свободного состояния в связанное) . При переходах между разными парами уровней энергии, принадлежащими к непрерывной совокупности уровней (свободно-свободные переходы) , также возникают С. с. , соответствующие тормозному излучению при испускании и обратному процессу при поглощении. Переходы же между разными парами дискретных уровней энергии создают линейчатый спектр (связанно-связанные переходы) .
С. с. могут получаться для многоатомных молекул при переходах между совокупностями близких дискретных уровней энергии в результате наложения очень большого числа спектральных линий, имеющих конечную ширину. При недостаточной разрешающей способности применяемых спектральных приборов могут получаться кажущиеся С. с. , в которых линейчатая или полосатая структуры спектров сливаются в С. с.
Это белый свет разложенный на несколько цветовых волн. Каждая волна имеет свою длину волны. Вроду самая длинная у фиолетового, самая короткая у красного.
СПЕКТР (ОТ ЛАТ . SPECTRUM - ПРЕДСТАВЛЕНИЕ
=======
образ) в физике, совокупность всех значений какой-либо физической величины, характеризующей систему или процесс. Чаще всего пользуются понятиями частотного спектра колебаний (в частности, электромагнитных и акустических), спектра энергий, импульсов и масс частиц (см. Спектроскопия, Масс-спектрометрия). Спектр может быть непрерывным и дискретным.
Спектральные исследования сыграли ключевую роль в познании Вселенной. С их помощью удалось понять строение не только атомов и молекул, но и таких астрофизических объектов, как Солнце, звезды, планеты, и получить подробную информацию об их движении. Разработанная теория спектров и накопленные эмпирические данные позволили создать метод спектрального анализа для качественного и количественного определения состава химических веществ. См. также ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ; РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ; СВЕТ.
Классификация спектров.
Линии Фраунгофера.
В 1802, изучая непрерывный спектр Солнца, У.Волластон заметил в нем множество тонких темных линий. Двенадцатью годами позже Й.Фраунгофер, заменив зрительную трубу в спектроскопе Волластона трубой теодолита, точно измерил угловое положение темных линий. В честь него эти линии теперь называются фраунгоферовыми линиями солнечного спектра. См. также СОЛНЦЕ.
Исследования Кирхгофа.
В 1859 Г.Кирхгоф сформулировал свой знаменитый закон, связывающий поглощение и испускание. Суть его заключается в том, что любое вещество хорошо поглощает излучение именно тех длин волн, которое само интенсивно испускает. На основании этого закона Кирхгоф следующим образом объяснил появление фраунгоферовых линий в непрерывном солнечном спектре. Газ, находящийся во внешних, наиболее холодных слоях солнечной атмосферы, избирательно поглощает из сплошного спектра ярко светящейся фотосферы Солнца излучение тех длин волн, которые соответствуют линиям испускания возбужденного газа. Поэтому на отдельных участках непрерывного солнечного спектра резко падает интенсивность и появляются темные линии.
Одно из самых важных открытий физической оптики состоит в том, что каждый атом и каждая молекула испускают характерный только для них линейчатый спектр. Многие исследователи, работавшие после Фраунгофера, были близки к этому открытию, но лишь Кирхгоф смог четко сформулировать его и применить на практике. Он понял, что характеристические спектры и закон, связывающий поглощение и испускание, позволяют спектральным методом определить химический состав солнечной атмосферы и, более того, что они являются универсальным инструментом, дающим возможность в лабораторных условиях обнаруживать и анализировать различные элементы (так, к примеру, были открыты рубидий и цезий). Его работы, выполненные совместно с Р.Бунзеном, заложили основы современной спектроскопии. См. также СПЕКТРОСКОПИЯ.
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В соответствии с длинами волн ( l ) весь спектр электромагнитного излучения условно делится на ряд частично перекрывающихся областей – от радиоволн на его длинноволновой границе до гамма-лучей на границе коротких волн. Однако такое деление отражает зависимость не только от l , но и от способов генерации и обнаружения соответствующего электромагнитного излучения. Например, нет никакого принципиального различия между микроволновым и инфракрасным излучением одинаковых длин волн, но если излучение генерируется электронным прибором, его называют микроволновым, а если оно испускается инфракрасным источником – инфракрасным.
Радиоволны.
Электромагнитное излучение с длинами волн примерно от 1 см до 30 000 м составляет радиоволновую часть спектра. Поскольку скорость любого электромагнитного излучения в вакууме составляет 300 000 000 м/с и равна произведению длины волны на частоту (c = ln ), то радиоволновому интервалу соответствуют частоты примерно от 10 000 герц (Гц, 1Гц = 1 с –1 ) до 30 000 мегагерц (МГц, 1МГц = 10 6 Гц). Излучение таких частот получают с помощью ламповых или полупроводниковых генераторов, а для регистрации применяют резонансные радиосхемы.
Радиоволны используются в основном в системах связи и навигации. В 1932 было открыто радиоволновое излучение нашей Галактики, что в значительной мере стимулировало рождение новой науки – радиоастрономии. Крупного успеха радиоастрономия добилась в 1951, когда были обнаружены радиоволны, испускаемые облаками межзвездного водорода на единственной частоте, отвечающей длине волны около 21 см. В лабораториях радиоспектроскопия широко применяется для исследования атомов и молекул. См. также РАДИОАСТРОНОМИЯ.
Микроволновое излучение.
Излучение с длинами волн примерно от 0,5 мм до 30 см (частотный интервал от 600 000 до 1000 МГц) относится к микроволновому диапазону спектра. Для генерации микроволнового излучения применяются специальные электронные лампы (клистроны). Бурное развитие микроволновая техника получила в период Второй мировой войны в связи с резко возросшими требованиями к эффективности средств связи и радиолокации. Микроволновое излучение естественных источников обусловлено главным образом вращением молекул, хотя известны и СВЧ-спектры атомов. Исследование микроволновых вращательных спектров молекул является одни из самых точных методов определения структуры молекул газа.
Инфракрасное излучение.
Инфракрасное (ИК) излучение было открыто английским астрономом В.Гершелем в 1800. Пользуясь простым термометром, он установил, что тепловое излучение имеет наибольшую интенсивность за пределами видимой области вблизи его красной границы. Инфракрасная область спектра начинается примерно от 0,8 мкм и простирается примерно до 1 мм. Ранее лабораторными источниками инфракрасного излучения служили исключительно раскаленные тела либо электрические разряды в газах. Сейчас на основе твердотельных и молекулярных газовых лазеров созданы современные источники инфракрасного излучения с регулируемой или фиксированной частотой. Для регистрации излучения в ближней ИК-области (до ~1,3 мкм) используются специальные фотопластинки. Более широким диапазоном чувствительности (примерно до 25 мкм) обладают фотоэлектрические детекторы и фоторезисторы. Излучение в дальней ИК-области регистрируется болометрами – детекторами, чувствительными к нагреву инфракрасным излучением.
ИК-аппаратура находит широкое применение как в военной технике (например, для наведения ракет), так и в гражданской (например, в волоконно-оптических системах связи). В качестве оптических элементов в ИК-спектрометрах используются либо линзы и призмы, либо дифракционные решетки и зеркала. Чтобы исключить поглощение излучения в воздухе, спектрометры для дальней ИК-области изготавливаются в вакуумном варианте.
Поскольку инфракрасные спектры связаны с вращательными и колебательными движениями в молекуле, а также с электронными переходами в атомах и молекулах, ИК-спектроскопия позволяет получать важные сведения о строении атомов и молекул, а также о зонной структуре кристаллов.
Видимая область.
Видимой области соответствует диапазон длин волн от 400 нм (фиолетовая граница) до 760 нм (красная граница), что составляет ничтожную часть полного электромагнитного спектра. Источниками видимого света в лаборатории обычно служат раскаленные твердые тела, электрический разряд и лазеры (обычно лазеры на красителях). Перестраиваемые лазеры на красителях позволяют перекрывать большие участки видимого спектра (например, краситель родамин 6G излучает в интервале 570–660 нм). Наиболее распространенными детекторами видимого излучения являются глаз человека, фотопластинки, фотоэлементы, фотоумножители. Видимые спектры связаны с квантовыми переходами внешних электронов атомов и молекул и содержат важнейшую информацию об их электронной структуре.
Ультрафиолетовое излучение.
Рентгеновское излучение.
В 1895 было сделано одно из самых важных открытий физики: В.Рентген, изучая электрические разряды в газах, заметил, что бумажный экран, подвергнутый специальной обработке, начинает светиться, если его поднести к работающей газоразрядной трубке, и сделал вывод, что свечение возникает под действием нового, неизвестного проникающего излучения, названного им X-лучами. Из дальнейших экспериментов выяснилось, что X-лучи – это электромагнитное излучение, длинноволновая граница которого перекрывается с вакуумным ультрафиолетом, а коротковолновая составляет малую долю нанометра.
Рентгеновское излучение с непрерывным спектром часто называют тормозным излучением, поскольку оно возникает при замедлении электронов, бомбардирующих анод рентгеновской трубки. См. также РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.
Гамма-излучение.
Гамма-излучение отличается от рентгеновского меньшей длиной волны (0,1–10 –6 нм) и своим происхождением. Ядро, получив в результате ядерной реакции избыточную энергию, может оказаться в возбужденном состоянии. Возвращаясь в состояние с более низкой энергией, оно отдает избыточную энергию, испуская гамма-квант. Изучение спектров гамма-излучения позволяет получить важную информацию о строении ядер и ядерных взаимодействиях, подобно тому, как оптические спектры помогают понять строение атомов и молекул и действующие в них силы.
Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. М., 1962
Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров. М., 1964
Читайте также: