Оптичні спектри

Спектр (від лат. Spectrum – уявлення, образ) – є сукупністю кожного із значень будь-якої фізичної величини, яка характеризує систему або процес.

Найчастіше використовують визначення частотного спектра коливань (наприклад, електромагнітних), спектру енергій, імпульсів і мас часток. Спектр може бути безперервним і дискретним (переривчастим).

Оптичні спектри – це спектри електромагнітних випромінювань в ІК, видимому і UF діапазонах довжин хвиль. Оптичні спектри діляться на спектри випускання, спектри поглинання (абсорбція спектри), спектри розсіювання і спектри відображення.

Оптичні спектри отримують від джерел світла при розкладанні їх випромінювання по довжинах хвиль λ (або частотам v = c / λ, або хвильовим числам 1 / λ = v / c, які також позначаються як v) за допомогою спектральних приладів. Щоб охарактеризувати розподіл випромінювання по частотах, вводиться спектральна щільність випромінювання I (v), яка дорівнює інтенсивності випромінювання I, яка припадає на одиничний інтервал частот (інтенсивність випромінювання I є щільністю потоку електромагнітного випромінювання, що припадає на всі частоти). Інтенсивність випромінювання, що припадає на маленький спектральний інтервал Δv, дорівнює I (v) Δv. Підсумувавши подібні вирази по всіх частотах спектру, отримуємо щільність потоку випромінювання I.

Види спектрів.

Спектральний склад випромінювання речовин дуже різноманітний, але не дивлячись на це, кожен спектр ділиться на 3 типи:

  • безперервні спектри,
  • лінійчатих спектри,
  • смугасті спектри.

Безперервні спектри, або суцільні спектри, як видно з дослідів, дають тіла, які знаходяться в твердому або рідкому стані, або дуже стислі гази. Що б отримати безперервний спектр, тіло необхідно нагріти до високої температури.

Безперервні спектри визначаються не тільки випромінювальною здатністю самих атомів, але у великій мірі залежать від взаємодії атомів один з одним.

Оптичні спектри

На малюнку ви бачите криву залежності спектральної щільності інтенсивності теплового випромінювання від частоти (спектр) тіла з сильно чорною поверхнею. У кривої є максимум при частоті vmax, яка залежить від температури тіла. Зі збільшенням температури максимум енергії випромінювання зсувається до великих частотах. Енергія випромінювання, що припадає на дуже маленькі (v → 0) і дуже великі (v → ∞) частоти, дуже мала. У суцільному спектрі представлені кожна з довжин хвиль.

Лінійчаті спектри складаються з окремих спектральних ліній, це ознака того, що речовина випромінює світло конкретних довжин хвиль в певних, дуже вузьких спектральних інтервалах. Всі лінії мають кінцеву довжину.

Лінійчаті спектри дають всі речовини в газоподібному атомарному (але не молекулярному) стані. В такому випадку випромінюють атоми, які не взаємодіють один з одним. Це фундаментальний, самий основний тип спектрів.

Ізольовані атоми випромінюють строго певні довжини хвиль, характерні для даного типу атомів. Класичним прикладом лінійного спектра є спектр атома водню.

Спектральні закономірності в спектрі атома водню.

Кожна частота випромінювань атома водню становить ряд серій, кожна з яких утворюється в процесі переходу атома в одне з енергетичних станів з усіх верхніх енергетичних станів, тобто станів з більшою енергією, використовуючи термінологію спектроскопії – переходів електрона з верхніх збуджених рівнів енергії на нижні рівні.

Оптичні спектри

На малюнку а) ви можете побачити переходи на 2-ий збуджений енергетичний рівень, які складають серію Бальмера, частоти випромінювання якої знаходяться у видимій області спектра. Серія має назву по імені швейцарського вчителя І. Бальмера, який ще в 1885 році грунтуючись на результатах експериментів вивів формулу для визначення частот видимої частини спектра водню.

Смугасті спектри складаються з окремих смуг, які розділені темними проміжками. За допомогою досить хорошого спектрального апарату можна побачити, що всі смуги складаються з великого числа близько лежачі ліній. Смугасті спектри випромінюють молекули, які не пов’язані або слабо пов’язані один з одним.

Для спостереження молекулярних спектрів, як і для спостереження лінійчатих спектрів, застосовують світіння парів у полум’ї або світіння газового розряду.

Спектри поглинання теж діляться на 3 типи (суцільні, лінійчатих і смугасті), що і спектри випускання. Поглинання світла теж залежить від довжини хвилі. Так, червоне скло пропускає хвилі, які відповідають червоного світла (λ ≈ 8 · 10-5 см), і поглинає інші.

Газ інтенсивніше всіх поглинає світло тих довжин хвиль, які він випускає в сильно нагрітому стані.

Таким чином, якщо пропускати біле світло через холодний неизлучающий газ, то на тлі безперервного спектра випромінювання з’являться темні лінії. Це лінії поглинання, які утворюють в сукупності спектр поглинання.

Посилання на основну публікацію