ЧТО ТАКОЕ СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ? (С ПРИМЕРАМИ) - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2025

Спектр излучения представляет собой спектр длины волн света , излучаемых атомами и молекулами при осуществлении перехода между двумя энергетическими состояниями. Белый или видимый свет, падающий на призму, распадается на разные цвета с определенной длиной волны для каждого цвета. Полученная цветовая гамма представляет собой видимый спектр излучения света, называемый спектром излучения.

Атомы, молекулы и вещества также имеют спектр излучения из-за испускания света, когда они поглощают необходимое количество энергии извне для перехода между двумя энергетическими состояниями. Пропуская этот свет через призму, он разбивается на спектральные цветные линии с разными длинами волн, характерными для каждого элемента.

Важность спектра излучения заключается в том, что он позволяет определять состав неизвестных веществ и астрономических объектов путем анализа их спектральных линий с использованием методов эмиссионной спектроскопии.

Далее объясняется, из чего состоит спектр излучения и как он интерпретируется, приводятся некоторые примеры и различия, которые существуют между спектром излучения и спектром поглощения.

Что такое спектр излучения?

Атомы элемента или вещества имеют электроны и протоны, которые удерживаются вместе электромагнитной силой притяжения. Согласно модели Бора электроны расположены таким образом, чтобы энергия атома была минимально возможной. Этот энергетический уровень энергии называется основным состоянием атома.

Когда атомы получают энергию извне, электроны движутся к более высокому энергетическому уровню, и атом меняет свое основное состояние на возбужденное состояние.

В возбужденном состоянии время пребывания электрона очень мало (≈ 10-8 с) (1), атом нестабилен и возвращается в основное состояние, переходя при необходимости через промежуточные уровни энергии.

Рисунок 1. а) Излучение фотона из-за перехода атома между уровнем энергии возбуждения и основным уровнем энергии. б) испускание фотонов за счет перехода атома между промежуточными энергетическими уровнями.

В процессе перехода из возбужденного состояния в основное состояние атом излучает фотон света с энергией, равной разности энергий между двумя состояниями, которая прямо пропорциональна частоте, видимой, и обратно пропорциональной его длине волны λ.

Излучаемый фотон показан в виде яркой линии, называемой спектральной линией (2), а спектральное распределение энергии совокупности излучаемых фотонов на переходах атома представляет собой спектр излучения.

Интерпретация спектра излучения

Некоторые переходы атома вызываются повышением температуры или присутствием других внешних источников энергии, таких как луч света, поток электронов или химическая реакция.

Если газ, такой как водород, помещается в камеру с низким давлением и через камеру пропускается электрический ток, газ будет излучать свет своего собственного цвета, который отличает его от других газов.

Пропуская излучаемый свет через призму, вместо получения радуги света получаются дискретные элементы в виде цветных линий с определенными длинами волн, которые несут дискретное количество энергии.

Линии эмиссионного спектра уникальны для каждого элемента, и их использование в методе спектроскопии позволяет определять элементный состав неизвестного вещества, а также состав астрономических объектов, анализируя длины волн испускаемых фотонов. при переходе атома.

Разница между спектром излучения и спектром поглощения.

В процессах поглощения и излучения атом имеет переходы между двумя энергетическими состояниями, но именно при поглощении он получает энергию извне и достигает состояния возбуждения.

Спектральная линия излучения противоположна непрерывному спектру белого света. В первом наблюдается спектральное распределение в виде ярких линий, а во втором - непрерывная цветная полоса.

Если луч белого света попадает в газ, такой как водород, заключенный в камеру с низким давлением, только часть света будет поглощена газом, а остальная часть будет передана.

Когда проходящий свет проходит через призму, он распадается на спектральные линии, каждая с разной длиной волны, образуя спектр поглощения газа.

Спектр поглощения полностью противоположен спектру излучения, а также индивидуален для каждого элемента. При сравнении обоих спектров одного и того же элемента наблюдается, что спектральные линии излучения - это те линии, которые отсутствуют в спектре поглощения (рис. 2).

Рисунок 2. а) Спектр излучения и б) Спектр поглощения (Автор: Stkl. Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page)

Примеры спектров излучения химических элементов

а) Спектральные линии атома водорода в видимой области спектра: красная линия 656,3 нм, голубая линия 486,1 нм, темно-синий цвет 434 нм и очень слабый фиолетовый цвет 410 нм. Эти длины волн получены из уравнения Бальмера - Ридберга в его современной версии (3).

- волновое число спектральной линии

постоянная Ридберга (109666,56 см-1)

это самый высокий уровень энергии

это самый высокий уровень энергии

Рисунок 3. Спектр выбросов водорода (Автор: Adrignola. Источник: commons.wikimedia.org

б) Спектр излучения гелия состоит из двух серий основных линий, одна в видимой области, а другая - в ультрафиолетовой. Петерсон (4) использовал модель Бора для расчета серии линий излучения гелия в видимой части спектра в результате нескольких одновременных переходов двух электронов в состояние n = 5 и получил значения длины волны согласуется с экспериментальными результатами. Полученные длины волн: 468,8 нм, 450,1 нм, 426,3 нм, 418,4 нм, 412,2 нм, 371,9 нм.

c) В спектре излучения натрия есть две очень яркие линии 589 нм и 589,6 нм, называемые линиями D (5). Другие линии намного слабее этих, и для практических целей считается, что весь натриевый свет исходит от линий D.

Ссылки

1. Измерение времен жизни возбужденных состояний атома водорода. Анкудинов В.А., Бобашев С.В., Андреев Е.П. 1, 1965, ЖЭТФ, Том 21, с. 26-32.
2. Демтредер, В. Лазерная спектроскопия 1. Кайзерслаутерн: Springer, 2014.
3. DKRai, С.Н. Такур и. Атом, лазер и спектроскопия. Нью-Дели: Phi Learning, 2010.
4. Возвращение к Бору: модели и спектральные линии гелия. Петерсон, С. 5, 2016, Журнал молодых исследователей, Том 30, стр. 32-35.
5. Журнал химического образования. JR Appling, FJ Yonke, RA Edgington и S. Jacobs. 3, 1993, т. 70, стр. 250-251.