Вид спектров светящихся газов зависит от химической природы газа.

Спектр испускания

Вопрос 5. Спектры испускания. Спектры поглощения

Вопрос 4. Применение дисперсии

Явление дисперсии лежит в основе устройства призменных спектральных приборов: спектроскопов и спектрографов, которые служат для получения и наблюдения спектров. Ход лучей в простейшем спектрографе показан на рис.4.

Освещаемая источником света щель, помещенная в фокусе линзы коллиматора, посылает на эту линзу пучок расходящихся лучей, которые линза (коллиматорный объектив) обращает в пучок параллельных лучей.

Эти параллельные лучи, преломляясь в призме, распадаются на лучи света разного цвета (т.е. разной), которые собираются камерной линзой (камерным объективом) в ее фокальной плоскости и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте соответствует свое изображение. Совокупность этих изображений и представляет собой спектр . Спектр можно наблюдать через окуляр, используемой в качестве лупы. Такой прибор называют спектроскопом . Если нужно получить фотографию спектра, то фотопластинку помещают в фокальной плоскости камерного объектива. Прибор для фотографирования спектра называют спектрографом .

Если свет от раскаленного твердого тела пропустить через призму, то на экране за призмой получим непрерывный сплошной спектр испускания .

Если источником света является газ или пар, то картина спектра существенно меняется . Наблюдается совокупность ярких линий, разделенных темными промежутками. Такие спектры называются линейчатыми . Примерами линейчатых спектров могут служить спектры натрия, водорода и гелия.

Каждый газ или пар дает свой, характерный только для него спектр. Поэтому спектр светящегося газа позволяет сделать заключение о его химическом составе. Если источником излучения служат молекулы вещества , то наблюдается полосатый спектр.

Все три вида спектров – сплошной, линейчатый и полосатый – являются спектрами испускания .

Помимо спектров испускания существуют спектры поглощения , которые получают следующим образом.

Белый свет от источника пропускают через пары исследуемого вещества и направляют на спектроскоп или иной прибор, предназначенный для исследования спектра.

В этом случае не фоне сплошного спектра видны темные линии, расположенные в определенном порядке. Их число и характер расположения позволяют судить о составе исследуемого вещества.

Например, если на пути лучей находятся пары натрия, на сплошном спектре возникает темная полоса в том месте спектра, где должна была располагаться желтая линия спектра испускания паров натрия.

Рассмотренное явление было объяснено Кирхгофом, показавшим, что атомы данного элемента поглощают те же световые волны, которые они сами испускают .

Чтобы объяснить происхождение спектров, необходимо знать строение атома. Эти вопросы будут рассмотрены в дальнейших лекциях.

Литература:

1. И.И.Наркевич и др. Физика.- Минск: Изд-во “ООО Новое знание”, 2004.

2. Р.И.Грабовский. Курс физики.- СПб.- М.- Краснодар: Изд-во “Лань”, 2006.

3. В.Ф.Дмитриева. Физика.- М.: Издательство “Высшая школа”, 2001.

4. А.Н.Ремизов. Курс физики, электроники и кибернетики.- М.: Изд-во “Высшая школа”, 1982

5. Л.А. Аксенович, Н.Н.Ракина. Физика.- Минск: Издательство “Дизайн ПРО”, 2001.

• Tutorial

Друзья приближается вечер пятницы, это прекрасное интимное время, когда под покровом манящего сумрака можно достать свой спектрометр и всю ночь, до первых лучей восходящего солнца мерить спектр лампы накаливания, а когда взойдет солнце померить и его спектр.
Как у вас все еще нет своего спектрометра? Не беда пройдемте под кат и исправим это недоразумение.
Внимание! Данная статья не претендует на статус полноценного туториала, но возможно уже через 20 минут после её прочтения вы разложите свой первый спектр излучения.

Человек и спектроскоп

Я буду повествовать вам в том порядке, в котором проходил все этапы сам, можно сказать от худшего к лучшему. Если кто-то нацелен сразу на более ли менее серьезный результат, то половину статьи можно смело пропустить. Ну а людям с кривыми руками (как у меня) и просто любопытным будет интересно почитать про мои мытарства с самого начала.
В интернете гуляет достаточное количество материалов о том, как собрать спектрометр/спектроскоп своими руками из подручных материалов.
Для того чтобы обзавестись спектроскопом в домашних условиях, в самом простом случае понадобится совсем не много - CD/DVD болванка и коробка.
На мои первые опыты в изучении спектра меня натолкнул этот материал - Спектроскопия

Собственно благодаря наработкам автора, я собрал свой первый спектроскоп из пропускающей дифракционной решетки DVD диска и картонной коробки из под чая, а еще ранее до этого мне хватило плотного куска картона с прорезью и пропускающей решетки от DVD болванки.
Не могу сказать, что результаты были ошеломляющие, но первые спектры получить вполне удалось, чудом сохраненные фотографии процесса под спойлером

Фото спектроскопов и спектра

Самый первый вариант с куском картона

Второй вариант с коробкой из под чая

И отснятый спектр

Единственное для моего удобства, он модифицировал данную конструкцию USB видеокамерой, получилось вот так:

фото спектрометра

Сразу скажу, эта модификация избавила меня от необходимости пользоваться камерой мобильного телефона, но был один недостаток камеру не удалось откалибровать под настройки сервиса Spectral Worckbench (о котором пойдет ниже речь). Поэтому захват спектра в режиме реального времени мне осуществить не удалось, но распознавать уже собранные фотографии вполне.

Итак допустим вы купили или собрали спектроскоп по указанной выше инструкции.
После этого создайте учетную запись в проекте PublicLab.org и переходите на страницу сервиса SpectralWorkbench.org Дальше я опишу вам ту методику распознавания спектра, которой пользовался сам.
Для начала нам надо будет откалибровать наш спектрометр, Для этого вам будет необходимо получить снимок спектра люминесцентной лампы, желательно - большой потолочной, но подойдет и энергосберегающая лампа.
1) Нажимаем кнопку Capture spectra
2) Upload Image
3) Заполняем поля, выбираем файл, выбираем new calibration, выбираем девайс (можно выбрать мини спектроскоп или просто custom), выбираем какой у вас спектр вертикальный или горизонтальный, чтобы было понятно спектры на скриншоте предыдущей программы - горизонтальные
4) Откроется окно с графиками.
5) Проверяем, как повернут ваш спектр. Слева должен быть синий диапазон, справа - красный. Если это не так выбираем кнопку more tools – flip horizontally, после чего видим, что изображение повернулось а график нет, так что нажимаем more tools – re-extract from foto, все пики снова соответствуют реальным пикам.

6) Нажимаем кнопку Calibrate, нажимаем begin, выбираем синий пик прямо на графике (см. скриншот), нажимаем ЛКМ и открывается всплывающее окно еще раз, теперь нам надо нажать finish и выбрать крайний зеленый пик, после чего страница обновиться и мы получим откалиброванное по длинам волн изображение.
Теперь можно заливать и другие исследуемые спектры, при запросе калибровки нужно указывать уже откалиброванный нами ранее график.

Скриншот

Вид настроенной программы

Внимание! Калибровка предполагает, что вы в дальнейшем будете делать снимки на тот же самый аппарат, который калибровали изменение аппарата разрешения снимков, сильное смещение спектра на фото относительно положения на откалиброванном примере, может исказить результаты измерения.
Честно признаюсь я свои снимки слегка правил в редакторе. Если где была засветка, затемнял окружение, иногда немного поворачивал спектр, чтобы получить прямоугольное изображение, но еще раз повторюсь размер файла и расположение относительно центра снимка самого спектра лучше не менять.
С остальными функциями вроде макросов, авто или ручной подстройки яркости я предлагаю вам разобраться самостоятельно, на мой взгляд они не так критичны.
Полученные графики потом удобно переносить в CSV, при этом первое число будет дробной (вероятно дробной) длинной волны, а через запятую будет усредненное относительное значение интенсивности излучения. Полученные значения красиво смотреться в виде графиков, построенных например в Scilab

У SpectralWorkbench.org есть приложения для смартфонов. Я ими не пользовался. поэтому оценить не могу.

Красочного вам дня во всех цветах радуги друзья.

Введение ………………………………………………………………………………….2

Механизм излучения……………………………………………………………………..3

Распределение энергии в спектре……………………………………………………….4

Виды спектров…………………………………………………………………………….6

Виды спектральных анализов……………………………………………………………7

Заключение………………………………………………………………………………..9

Литература……………………………………………………………………………….11

Введение

Спектр – это разложение света на составные части, лучи разных цветов.

Метод исследования химического состава различных веществ по их линейчатым спектрам испускания или поглощения называют спектральным анализом. Для спектрального анализа требуется ничтожное количество вещества. Быстрота и чувствительность сделали этот метод незаменимым как в лабораториях, так и в астрофизике. Так как каждый химический элемент таблицы Менделеева излучает характерный только для него линейчатый спектр испускания и поглощения, то это дает возможность исследовать химический состав вещества. Впервые его попробовали сделать физики Кирхгоф и Бунзен в 1859 году, соорудив спектроскоп. Свет пропускался в него через узкую щель, прорезанную с одного края подзорной трубы (эта труба с щелью называется коллиматор). Из коллиматора лучи падали на призму, накрытую ящиком, оклеенным изнутри черной бумагой. Призма отклоняла в сторону лучи, которые шли из щели. Получался спектр. После этого завесили окно шторой и поставили у щели коллиматора зажженную горелку. В пламя свечи вводили поочередно кусочки различных веществ, и смотрели через вторую подзорную трубу на получающийся спектр. Оказывалось, что раскаленные пары каждого элемента давали лучи строго определенного цвета, и призма отклоняла эти лучи на строго определенное место, и ни один цвет поэтому не мог замаскировать другой. Это позволило сделать вывод, что найден радикально новый способ химического анализа – по спектру вещества. В 1861 Кирхгоф доказал на основе этого открытия присутствие в хромосфере Солнца ряда элементов, положив начало астрофизике.

Механизм излучения

Источник света должен потреблять энергию. Свет - это электромагнитные волны с длиной волны 4*10 -7 - 8*10 -7 м. Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов. Но, не зная, как устроен атом, ничего достоверного о механизме излучения сказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света так же, как в струне рояля нет звука. Подобно струне, начинающей звучать лишь после удара молоточка, атомы рождают свет только после их возбуждения.

Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Тепловое излучение. Наиболее простой и распространенный вид излучения - тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов или (молекул) излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы. При столкновении быстрых атомов (молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет.

Тепловым источником излучения является Солнце, а также обычная лампа накаливания. Лампа очень удобный, но малоэкономичный источник. Лишь примерно 12% всей энергии, выделяемой в лампе электрическим током, преобразуется в энергию света. Тепловым источником света является пламя. Крупинки сажи раскаляются за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, и испускают свет.

Электролюминесценция. Энергия, необходимая атомам для излучения света, может заимствоваться и из нетепловых источников. При разряде в газах электрическое поле сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроны испытывают соударения с атомами. Часть кинетической энергии электронов идет на возбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн. Благодаря этому разряд в газе сопровождается свечением. Это и есть электролюминесценция.

Катодолюминесценция. Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами, называют катодолюминисенцией. Благодаря катодолюминесценции светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.

Хемилюминесценция. При некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на излучение света. Источник света остается холодным (он имеет температуру окружающей среды). Это явление называется хемиолюминесценкией.

Фотолюминесценция. Падающий на вещество свет частично отражается, а частично поглощается. Энергия поглощаемого света в большинстве случаев вызывает лишь нагревание тел. Однако некоторые тела сами начинают светиться непосредственно под действием падающего на него излучения. Это и есть фотолюминесценция. Свет возбуждает атомы вещества (увеличивает их внутреннюю энергию), после этого они высвечиваются сами. Например, светящиеся краски, которыми покрывают многие елочные игрушки, излучают свет после их облучения.

Излучаемый при фотолюминесценции свет имеет, как правило, большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение. Это можно наблюдать экспериментально. Если направить на сосуд с флюоресцеитом (органический краситель) световой пучок,

пропущенный через фиолетовый светофильтр, то эта жидкость начинает светиться зелено - желтым светом, т. е. светом большей длины волны, чем у фиолетового света.

Явление фотолюминесценции широко используется в лампах дневного света. Советский физик С. И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность разрядной трубки веществами, способными ярко светиться под действием коротковолнового излучения газового разряда. Лампы дневного света примерно в три-четыре раза экономичнее обычных ламп накаливания.

Перечислены основные виды излучений и источники, их создающие. Самые распространенные источники излучения - тепловые.

1.Как выглядит сплошной спектр? Какие тела дают сплошной спектр? Приведите примеры.

Сплошной спектр представляет собой по­лосу, состоящую из всех цветов радуги, плавно переходящих друг в друга.

Сплошной спектр получается от света твер­дых и жидких тел (нить электрической лампы, расплавленный металл, пламя свечи), с температу­рой несколько тысяч градусов Цельсия. Его также дают светящиеся газы и пары при высоком дав­лении.

2. Как выглядят линейчатые спектры? От каких источников света получаются линейчатые спектры?

Линейчатые спектры состоят из отдельных линий определенных цветов.
Линейчатые спектры характерны для светя­щихся газов малой плотности.

3. Каким образом можно получить линейчатый спектр испускания натрия?

Для этого надо пропустить свет от лампы накаливания через сосуд с парами натрия. В ре­зультате этого в сплошном спектре света от лампы накаливания появятся узкие черные линии, в том месте где находятся желтые линии в спектре ис­пускания натрия.

4. Опишите механизм получения линейчатых спектров поглощения.

Линейчатые спектры поглощения получают при пропускании сквозь газы малой плотности свет от более яркого и более горячего источника.

5. В чём заключается суть закона Кирхгофа, касающегося линейчатых спектров испускания и поглощения?

Закон Киргофа гласит, что атомы данного элемента поглощают и излучают световые волны на одних и тех же частотах.

6. Что такое спектральный анализ и как он проводится?

Метод определения химического состава ве­щества по его линейчатому спектру называется спектральным анализом.

Исследуемое вещество в виде порошка или аэрозоля помещают в высокотемпературный источ­ник света - пламя или электрический разряд, из-за чего оно переходит в состояние атомарного газа и у него возбуждаются атомы, которые испускают или поглощают электромагнитное излучение в строго определенном диапазонах частот. Затем получен­ную с помощью спектрографа фотографию спектра атомов анализируют.

По расположению линий в спектре узнают из каких элементов состоит данное вещество.

Сравнивая относительные интенсивности ли­ний спектра оценивают количественное содержание элементов.

7. Расскажите о применении спектрального анализа.

Спектральный анализ применяется в метал­лургии, машиностроении, атомной индустрии, гео­логии, археологии, криминалистике и др. сферах. Особенно интересно использование спектрального анализа в астрономии, с помощью него определяют химический состав звезд и атмосфер планет, их температуру. По смещениям спектральных линий галактик научились определять их скорость.

Вам понадобится

• - спектроскоп;
• - газовая горелка;
• - маленькая керамическая или фарфоровая ложка;
• - чистая поваренная соль;
• - прозрачная пробирка, наполненная углекислым газом;
• - мощная лампа накаливания;
• - мощная «экономичная» газосветная лампа.

Инструкция

Для дифракционного спектроскопа возьмите компакт-диск, маленькую картонную коробочку, картонный футляр от градусника. Вырежьте кусок диска по размеру коробочки. На верхней плоскости коробки, рядом с ее короткой стенкой, расположите окуляр под углом примерно 135° к поверхности. Окуляр представляет собой кусок футляра от градусника. Место для щели выберите экспериментально, поочередно протыкая и заклеивая дырочки на другой короткой стенке.

Напротив щели спектроскопа установите мощную лампу накаливания. В окуляре спектроскопа вы увидите непрерывный спектр. Такой спектральный существует у любого нагретого предмета. В нем нет линий выделения и поглощения. В этот спектр известен как .

Наберите в маленькую керамическую или фарфоровую ложку соли. Направьте щель спектроскопа на темный несветящийся участок, находящийся выше светлого пламени горелки. Введите в пламя ложку с . В момент, когда пламя окрасится в интенсивно желтый цвет, в спектроскопе можно будет наблюдать спектр излучения исследуемой соли (хлористого натрия), где особенно ярко будет видна линия излучения в желтой области. Такой же эксперимент можно провести с хлористым калием, солями меди, вольфрама и так далее. Так выглядят спектры излучения - светлые линии на определенных участках темного фона.

Направьте рабочую щель спектроскопа на яркую лампу накаливания. Поместит прозрачную пробирку, наполненную углекислым газом так, чтобы она перекрыла рабочую щель спектроскопа. В окуляр можно наблюдать непрерывный спектр, пересеченный темными вертикальными линиями. Это так называемый спектр поглощения, в данном случае - углекислого газа.

Направьте рабочую щель спектроскопа на включенную «экономичную» лампу. Вместо привычного непрерывного спектра вы увидите набор вертикальных линий, расположенных в различных частях и имеющие по большей части различные цвета. Отсюда можно заключить, что спектр излучения такой лампы сильно отличается от спектра обычной лампы накаливания, что на глаз неощутимо, но влияет на процесс фотографирования.

Видео по теме

Обратите внимание

Существует 2 типа спектроскопов. В первом используется прозрачная дисперсионная трехгранная призма. Свет от исследуемого объекта подается на нее через узкую щель и наблюдается со стороны другой грани при помощи окулярной трубки. Во избежание световых помех, вся конструкция накрывается светонепроницаемым кожухом. Она может также состоять из изолированных от света элементов и трубок. Применение линз в таком спектроскопе необязательно. Второй тип спектроскопа - дифракционный. Основным его элементом является дифракционная решетка. Свет от объекта тоже желательно подавать через щель. В качестве дифракционных решеток в самодельных конструкциях сейчас часто используют куски от CD и DVD дисков. Для предложенных экспериментов подойдет любой тип спектроскопа;

Поваренная соль не должна содержать йода;

Эксперименты лучше проводить с помощником;

Все эксперименты лучше проводить в затемненном помещении и обязательно на черном фоне.

Полезный совет

Для того чтобы получить углекислый газ в пробирке, поместите туда кусочек обычного школьного мела. Залейте его соляной кислотой. Полученный газ соберите в чистую пробирку. Углекислый газ тяжелее воздуха, поэтому он будет собираться внизу пустой пробирки, вытесняя из нее воздух. Для этого в пустую пробирку опустите трубку от источника газа, то есть от пробирки, в которой была реакция.

Физический термин «спектр» происходит от латинского слова spectrum, что значит «видение», или даже «призрак». Но предмет, названный таким мрачным словом, имеет прямое отношение к такому прекрасному явлению природы, как радуга.

В широком смысле спектром называется распределение значений той или иной физической величины. Частный случай – распределение значений частот электромагнитного излучения. Свет, который воспринимается человеческим глазом – это тоже разновидность электромагнитного излучения, и у него есть спектр.

Открытие спектра

Честь открытия спектра света принадлежит И.Ньютону. Приступая к этому исследованию, ученый преследовал практическую цель: повысить качество линз для телескопов. Проблема заключалась в том, что края изображения, которое можно было наблюдать в , окрашивались во все цвета радуги.

И.Ньютон поставил опыт: в затемненную комнату через маленькое отверстие проникал луч света, который падал на экран. Но на пути его была установлена трехгранная стеклянная призма. На экране вместо белого светового пятна обозначилась радужная полоса. Белый солнечный свет оказался сложным, составным.

Ученый усложнил опыт. Он стал проделывать в экране маленькие отверстия, чтобы через них проходил только один цветной луч (например, красный), а позади экрана вторую и еще один экран. Оказалось, что цветные лучи, на которые разложила свет первая призма, не разлагаются на составные части, проходя через вторую призму, они только отклоняются. Следовательно, эти световые лучи являются простыми, а преломлялись они в по-разному, что и позволило « » свет на части.

Так стало ясно, что различные цвета не происходят от разных степеней «смешения света с тьмой», как считалось до И.Ньютона, а являются составными частями самого света. Этот состав и был назван спектром света.

Открытие И.Ньютона имело важное значение для своего времени, оно многое дало исследованию природы света. Но истинный переворот в науке, связанный с исследованием спектра света, произошёл в середине XIX века.

Немецкие ученые Р.В.Бунзен и Г.Р.Кирхгоф изучали спектр света, излучаемого огнем, к которому примешиваются испарения различных солей. Спектр варьировался в зависимости от примесей. Это привело исследователей к мысли, что по световым спектрам можно судить о химическом составе Солнца и других звезд. Так родился метод спектрального анализа.