Спектри та спектральний аналіз у фізиці

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

МОСКОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЕКОНОМІКИ, СТАТИСТИКИ І ІНФОРМАТИКИ

Предмет - КСЕ

ТЕМА:

Спектри та спектральний аналіз у фізиці

ПІДГОТУВАВ СТУДЕНТ ГРУПИ № ЗФ-46

САВЧЕНКО ІВАН СЕРГІЙОВИЧ

Зміст

1. Види спектрів

1.1. Безперервні спектри

1.2. Лінійчатих спектри

1.3. Смугасті спектри

1.4. Спектри поглинання

2. Спектральний аналіз

3. Спектральні апарати

4. Інфрачервона і ультрафіолетова частини спектру

5. Спектр видимого світла

Види спектрів.

Спектральний склад випромінювання різних речовин дуже різноманітний. Але, незважаючи на це, усі спектри, як показує досвід, можна розділити на три сильно відрізняються один від одного типу.

Безперервні спектри.

Сонячний спектр або спектр дугового ліхтаря є безперервним. Це означає, що в спектрі представлені всі довжини хвиль. У спектрі немає розривів, і на екрані спектрографа можна бачити суцільну різнобарвну смугу.

Розподіл енергії за частотами, тобто спектральна щільність інтенсивності випромінювання, для різних тіл різна. Наприклад, тіло з дуже чорною поверхнею випромінює електромагнітні хвилі всіх частот, але крива залежності спектральної щільності від частоти має максимум при певній частоті vmax. Енергія випромінювання, що припадає на дуже малі (v → 0) і дуже великі (v → ∞) частоти, мізерно мала. При підвищенні температури максимум спектральної щільності випромінювання зміщується в бік коротких хвиль.

Безперервні (або суцільні) спектри, як показує досвід, дають тіла, що знаходяться в твердому або рідкому стані, а також щільні гази. Для отримання безперервного спектру потрібно нагріти тіло до високої температури.

Характер безперервного спектра і сам факт його існування визначаються не тільки властивостями окремих випромінюючих атомів, а й у великій мірі залежать від взаємодії атомів один з одним.

Безперервний спектр дає також високотемпературна плазма. Електромагнітні хвилі випромінюються плазмою в основному при зіткненні електронів з іонами.

Лінійчатих спектри.

Внесемо в бліде полум'я газового пальника шматочок азбесту, змоченого розчином звичайної повареної солі. При спостереженні полум'я в спектроскоп на тлі ледь помітного неперервного спектра полум'я спалахне яскраво жовта лінія. Цю жовту лінію дають пари натрію, які утворюються при розщепленні молекул кухонної солі в полум'ї. На спектроскопія також можна побачити частокіл кольорових ліній різної яскравості, розділених широкими темними смугами. Такі спектри називаються лінійчатими. Наявність лінійного спектра означає, що речовина випромінює світло тільки цілком певних довжин хвиль (точніше, в певних дуже вузьких спектральних інтервалах). Кожна з ліній має кінцеву ширину.

Лінійчатих спектри дають всі речовини в газоподібному атомарному (але не молекулярному) стані. У цьому випадку світло випромінюють атоми, які практично не взаємодіють один з одним. Це самий фундаментальний, основний тип спектрів.

Ізольовані атоми даного хімічного елемента випромінюють суворо визначені довжини хвиль.

Зазвичай для спостереження лінійчатих спектрів використовують світіння пари речовини у полум'ї або світіння газового розряду в трубці, наповненою досліджуваним газом.

При збільшенні щільності атомарного газу окремі спектральні лінії розширюються і, нарешті при дуже великій щільності газу, коли взаємодія атомів стає суттєвим, ці лінії перекривають один одного, створюючи безперервний спектр.

Смугасті спектри.

Смугастий спектр складається з окремих смуг, розділених темними проміжками. З допомогою дуже хорошого спектрального апарата можна виявити, що кожна смуга являє собою сукупність великої кількості дуже тісно розташованих ліній. На відміну від лінійчатих спектрів смугасті спектри створюються не атомами, а молекулами, не пов'язаними або слабко пов'язаними один з одним.
Для спостереження молекулярних спектрів так само, як і для спостереження лінійчатих спектрів, зазвичай використовують світіння пари в полум'я або світіння газового розряду.

Спектри поглинання.

Всі речовини, атоми яких перебувають у збудженому стані, випромінюють світлові хвилі, енергія яких певним чином розподілена по довжинах хвиль. Поглинання світла речовиною також залежить від довжини хвилі. Так, червоне скло пропускає хвилі, які відповідають червоному світлі (l »8.10 -5 см), і поглинає всі інші.
Якщо пропускати білий світ крізь холодний, неізлучающій газ, то на тлі безперервного спектру джерела з'являються темні лінії. Газ поглинає найбільш інтенсивно світло якраз тих довжин хвиль, які він випускає в сильно нагрітому стані. Темні лінії на тлі безперервного спектру - це лінії поглинання, що утворюють у сукупності спектр поглинання.

Спектральний аналіз.

Лінійчатих спектри відіграють особливо важливу роль, тому що їхня структура прямо пов'язана з будовою атома. Адже ці спектри створюються атомами, які не відчувають зовнішніх впливів. Тому, знайомлячись з лінійчатими спектрами, ми тим самим робимо перший крок до вивчення будови атомів. Спостерігаючи ці спектри, вчені отримали можливість "зазирнути" всередину атома. Тут оптика впритул стикається з атомною фізикою.

Головна властивість лінійчатих спектрів полягає в тому, що довжини хвиль (або частоти) лінійного спектра будь-якого засобу залежать тільки від властивостей атомів цієї речовини, але зовсім не залежать від способу збудження світіння атомів. Атоми будь-якого хімічного елемента дають спектр, не схожий на спектри всіх інших елементів: вони здатні випромінювати суворо-певний набір довжин хвиль.

На цьому заснований спектральний аналіз - метод визначення хімічного складу речовини за його спектру. Подібно відбиткам пальців у людей лінійчаті спектри мають неповторну індивідуальність. Неповторність візерунків на шкірі пальця допомагає часто знайти злочинця. Точно так само завдяки індивідуальності спектрів є можливість визначити хімічний склад тіла. За допомогою спектрального аналізу можна виявити даний елемент у складі складного речовини якщо навіть його маса не перевищує 10-10. Це дуже чутливий метод.

Кількісний аналіз складу речовини за його спектру утруднений, оскільки яскравість спектральних ліній залежить не тільки від маси речовини, але і від способу порушення світіння. Так, при низьких температурах багато спектральні лінії взагалі не з'являються. Однак при дотриманні стандартних умов порушення світіння можна проводити і кількісний спектральний аналіз.
В даний час визначені спектри всіх атомів і складені таблиці спектрів. За допомогою спектрального аналізу було відкрито багато нові елементи: рубідій, цезій та ін Елементам часто давали назви у відповідності з кольором найбільш інтенсивних ліній спектра. Рубідій дає темно-червоні, рубінові лінії. Слово цезій означає «небесно-блакитний». Це колір основних ліній спектра цезію.

Саме за допомогою спектрального аналізу дізналися хімічний склад Сонця і зірок. Інші методи аналізу тут взагалі неможливі. Виявилося, що зірки складаються з тих же самих хімічних елементів, які є і на Землі. Цікаво, що гелій спочатку відкрили на Сонце і лише потім знайшли в атмосфері Землі. Назва цього елемента нагадує про історію його відкриття: слово гелій означає в перекладі «сонячний».
Завдяки порівняльній простоті й універсальності спектральний аналіз є основним методом контролю складу речовини в металургії, машинобудуванні, атомної індустрії. За допомогою спектрального аналізу визначають хімічний склад руд і мінералів.
Склад складних, головним чином органічних, сумішей аналізується за їх молекулярних спектрах.
Спектральний аналіз можна проводити не тільки за спектрами випускання, але і за спектрами поглинання. Саме лінії поглинання в спектрі Сонця і зірок дозволяють дослідити хімічний склад цих небесних тіл. Яскраво світиться поверхню Сонця - фотосфера - дає безперервний спектр. Сонячна атмосфера поглинає вибірково світло від фотосфери, що призводить до появи ліній поглинання на фоні безперервного спектру фотосфери.
Але й сама атмосфера Сонця випромінює світло. Під час сонячних затемнень, коли сонячний диск закритий Місяцем, відбувається звернення ліній спектра. На місці ліній поглинання в сонячному спектрі спалахують лінії випромінювання.
В астрофізиці під спектральним аналізом розуміють не тільки визначення хімічного складу зірок, газових хмар і т. д., але і знаходження по спектрах багатьох інших фізичних характеристик цих об'єктів: температури, тиску, швидкості руху, магнітної індукції.

Спектральні апарати

Для точного дослідження спектрів такі прості пристосування, як вузька щілина, що обмежує світловий пучок, і призма, вже недостатні. Необхідні прилади, що дають чіткий спектр, тобто прилади, добре розділяють хвилі різної довжини і не допускають перекриття окремих ділянок спектра. Такі прилади називають спектральними апаратами. Найчастіше основною частиною спектрального апарата є призма або дифракційна решітка.
Розглянемо схему пристрою призмового спектрального апарата. Досліджуване випромінювання надходить спочатку в частину приладу, звану коліматором. Коліматор представляє собою трубу, на одному кінці якої є ширма з вузькою щілиною, а на іншому - збирає лінза. Щілина знаходиться на фокусній відстані від лінзи. Тому розходиться світловий пучок, що потрапляє на лінзу з щілини, виходить з неї паралельним пучком і падає на призму.
Так як різним частотам відповідають різні показники заломлення, то з призми виходять паралельні пучки, що не збігаються за напрямком. Вони падають на лінзу. На фокусній відстані цієї лінзи розташовується екран - матове скло або фотопластинка. Лінза фокусує паралельні пучки променів на екрані, і замість одного зображення щілини виходить цілий ряд зображень. Кожній частоті (вузькому спектральному інтервалу) відповідає своє зображення. Всі ці зображення разом і утворюють спектр.
Описаний прилад називається спектрографом. Якщо замість другої лінзи і екрану використовується зорова труба для візуального спостереження спектрів, то прилад називається спектроскопом. Призми та інші деталі спектральних апаратів необов'язково виготовляються зі скла. Замість скла застосовуються і такі прозорі матеріали, як кварц, кам'яна сіль тощо

Інфрачервона і ультрафіолетова частини спектру

На початку XIX ст. було виявлено, що вище (по довжині хвилі) червоної частини спектру видимого світла знаходиться невидимий оком інфрачервоний ділянку спектра, а нижче фіолетової частини спектра видимого світла знаходиться невидимий ультрафіолетовий ділянку спектра.

Довжини хвилі інфрачервоного випромінювання укладені в межах від

3.10 -4 до 7,6 · 10-7 м. Найбільш характерним властивістю цього випромінювання є його теплову дію. Джерелом інфрачервоного є будь-яке тіло. Інтенсивність цього випромінювання тим вище, чим більше температура тіла. Інфрачервоне випромінювання досліджують за допомогою термопар і болометрів. На використання інфрачервоного випромінювання заснований принцип дії приладів нічного бачення.

Довжини хвиль ультрафіолетового випромінювання укладені в межах від

4.10 -7 до 6.10 -9 м. Найбільш характерним властивістю цього випромінювання є його хімічна та біологічна дія. Ультрафіолетове випромінювання викликає явище фотоефекту, світіння ряду речовин (флуоресценцію і фосфоресценцію). Воно вбиває хвороботворних мікробів, викликає появу засмаги і т.д.

У науці інфрачервоне і ультрафіолетове випромінювання використовуються для дослідження молекул і атомів речовини.

Спектр видимого світла

На екрані за заломлюючої призмою монохроматичні кольору в спектрі розташовуються в наступному порядку: червоний (що має найбільшу серед хвиль видимого світла довжину хвилі lк = 7,6 · 10-7 м і найменший показник заломлення), помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий (що має найменшу у видимому спектрі довжину хвилі Lф = 4.10 -7 м і найбільший показник заломлення).

Список використаної літератури

1. ФІЗИКА на допомогу вступникам до ВНЗ

Р.А. Мустафаєв, В.Г. Кривцов

(§ 105. Дисперсія світла. Спектральний аналіз. Стор. 406-408)

2. Підручник для 11 класу середньої школи ФІЗИКА Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев

(Глава 9. Випромінювання і спектри. Стор. 193-199)


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
26.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Спектри і спектральний аналіз
Спектральний аналіз
Спектр і спектральний аналіз
Спектральний аналіз коливань
Спектральний і кореляційний аналіз неперіодичних сигналів
Лазерний атомно- фотоіонізаційний спектральний аналіз
Фізико-хімічні методи аналізу рефрактометрія спектральний аналіз
Кількісний емісійний спектральний аналіз його апаратура Полум`яна фотометрія
Методи розрахунку лінійних електричних ланцюгів при імпульсній дії Спектральний аналіз сигналів
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru