Спектри випромінювання і поглинання

Нагадаємо, що для того, щоб обчислити частоту, знаючи довжину хвилі, треба розділити швидкість поширення хвилі на цю довжину. Так що чим більше частота випромінювання, тим коротше його довжина хвилі. Тепер ми також знаємо, що енергія електромагнітного випромінювання прямо пропорційна його частоті, т. Е. Обернено пропорційна довжині його хвилі. Випромінювання, довжина хвилі якого лежить на ділянці від 380 до 780 нм, сприймається людським оком і називається видимою частиною випромінювання або просто видимим світлом. Від довжини хвилі видимого світла залежить його колір. Випромінювання, в якому всі частини спектру представлені в рівному співвідношенні, сприймається як білий світ. Таким, наприклад, є сонячне випромінювання [10].
Вперше на те, що сонячне світло можна розкласти на складові його різному забарвлені промені, звернув увагу Ньютон. Зрозуміло, і до нього люди спостерігали на небі веселку, яка чомусь з’являлася зазвичай після дощу, милувалися грою світла в дорогоцінних каменях і т. Д., Але причину цього явища ніхто пояснити не міг. Вирішальне відкриття було зроблено Ньютоном наступним чином. Світло від Сонця або від ліхтаря пропускають через вузьку щілину, а потім за допомогою лінзи фокусують на білому екрані, де утворюється короткий білий прямокутник. Якщо на шляху променя світла помістити скляну призму, то цей прямокутник зміститься і перетвориться на пофарбовану смужку, де поступові переходи кольорів від червоного до фіолетового збігаються з тими, які можна спостерігати у веселці (рис. 109). Ньютон знав, що, проходячи через призму, промені світла відчувають заломлення, т. Е. Змінюють кут напрямку свого руху. Тепер виявилося, що промені різного кольору змінюють цей кут по-різному. На підставі цього спостереження Ньютон зробив висновок, що промені різного кольору переломлюються призмою неоднаково.

Виявлене їм райдужне зображення він назвав спектром (від лат. Spektrum – бачення), а саме явище розкладання світла на різні колірні складові – дисперсією. Таким чином, виявилося, що білий світ являє собою суміш різних кольорів. Експерименти і висновки Ньютона спростували поширену до цього часу думка про те, що колір є властивістю забарвлених предметів, т. Е. Колір набуває забарвлення при зіткненні з кольоровими поверхнями. Але якщо це так, то від чого залежить колір всіх предметів, які знаходяться навколо нас і забарвлення яких є їх природною властивістю?
Візьмемо який-небудь прозорий забарвлений предмет, наприклад кольорове скло або пластик. Покладемо його на стіл і подивимося на нього в падаючому зверху світлі. Припустимо, що його колір буде синім. Це означає, що ті промені, які він від себе відображає і які після цього потрапляють в наше око, будуть синіми, т. Е. В очі потрапляє випромінювання, що має таку довжину хвилі, яка сприймається людиною як синій колір. Тепер подивимося через цей прозорий предмет на світло. Ми переконаємося, що все, що ми бачимо, стане теж синім. А це означає, що наше скло пропускає через себе тільки синє випромінювання. Можна виконати спостереження з прозорими предметами будь-якого кольору і переконатися в тому, що у всіх випадках вони будуть відображати і пропускати одне і те ж випромінювання. Це означає, що предмет даного кольору вибирає для віддзеркалення і пропускання тільки невелику частину з усього спектра білого світла. Що відбувається з іншою частиною спектра? Вона поглинається пофарбованим предметом.

Якщо ми маємо справу з непрозорим предметом, то він не пропускає жодного світла, а може тільки відображати і поглинати. Білий предмет відображає весь видимий спектр, тому він і виглядає як білий. Чорний же не відображає ніякого світла – все падаючі на нього промені він поглинає. Тому від нього в наш око не потрапляє ніякого випромінювання, що сприймається як чорнота. Саме з цієї причини люди в спеку намагаються носити білу або світлий одяг, найбільшою мірою відображає сонячні промені, тоді як одяг чорного кольору більшість променів поглинає і від цього нагрівається. Все ж кольорові предмети поглинають світло вибірково, в певних областях видимого спектру, а всі інші падаючі на них хвилі, відображають. Цей відбите світло і потрапляє нам в очі, викликаючи відчуття певного кольору. Відповідно, поєднання всіх хвиль, які поглинаються речовиною, утворює його спектр поглинання, а тих, які їм відображаються, – спектр відбиття. Таким же чином для прозорих тіл можна визначити спектр пропускання, який, як ми вже сказали, в основному збігається зі спектром відбиття.
Але для того щоб щось могло поглинути або відобразити світло, це світло повинен звідкись прийти. Іншими словами, всякий світло повинне мати джерело. Таким джерелом може бути Сонце, Місяць, зірки, електрична лампа, свічка та багато іншого.

Світло, що випускається цим джерелом, іноді може бути білим, як світло Сонця, а іноді в ньому будуть переважати хвилі з якоюсь певною довжиною. Так, світло лампочки розжарювання є майже білим, але з деякою перевагою жовтої частини спектру, а колір вогню в печі або багатті має добре виражену червону складову. У той час, коли не було кольорових телевізорів, зображення на екранах називалося чорно-білим, проте «білий» фон був не зовсім таким, в ньому явно проглядався блакитний відтінок. Звідси й назви передач старого телебачення, наприклад «Блакитний вогник». Сукупність хвиль всіх частот, що випускаються даним джерелом світла, називають його спектром випускання.
Для вивчення спектрів, що випускаються різними джерелами, застосовують прилади, які називаються спектрометрами. Якщо направити спектрометр на Сонці або електричну лампу розжарювання, можна побачити смугу, в якій представлені всі кольори спектра, плавно переходять один в одного. Такий спектр називають суцільним або безперервним (рис. 110, А). Інший вид мають спектри, що випускаються світяться газами. Вони складаються з чітко розмежованих ліній. Кожна лінія чітко відмежована від сусідніх ліній чорними смугами і являє собою вузький інтервал, в якому міститься випромінювання, яке відповідає певній довжині хвилі. Такий спектр прийнято називати лінійчатим або переривчастим (рис. 110, Б). За допомогою спектрометра можна досліджувати як спектри випускання, так і спектри поглинання.
Першим дослідником, який звернув увагу на спектральні лінії, був Йозеф Фраунгофер (1787-1826). На його честь ці лінії були названі фраунгоферовими лініями. У 1850 р Густав Кірхгоф (1824-1887) і Роберт Бунзен (1811-1899) прийшли до висновку, що кожен хімічний елемент має свій унікальний лінійчатий спектр і, зокрема, по спектру небесних світил можна визначити їх хімічний склад. В результаті їх досліджень в науці з’явився новий метод, званий спектральним аналізом, за допомогою якого можна визначати склад речовин навіть на великих відстанях. За допомогою цього методу інертний газ гелій був відкритий на Сонці майже на тридцять років раніше, ніж на Землі, і саме на честь Сонця отримав свою назву.
Перевірте свої знання
1. Як називається розкладання спектра на різні колірні складові?
2. Які види спектрів можуть бути характерними для фізичного тіла?
3. Від чого залежить сприймається оком колір предмета?
4. Для яких цілей використовують спектральний аналіз?

Посилання на основну публікацію