Цель работы: наблюдение спектров испускания лампы накаливания и атомарного газа, определение длин волн спектральных линий в излучении атомарного газа; изучение спектров поглощения некоторых твердых тел и жидкостей.
Приборы и принадлежности: монохроматор УМ-2, осветитель ОИ-19, катушка Румкорфа с источником постоянного напряжения, спектральные трубки, образцы поглощающих материалов, фломастеры.
Литература: [2], § 46; [4], § 5, 22.
В в е д е н и е
Скорость распространения света в любой вещественной среде зависит от частоты колебаний. Так, для стекла с повышением частоты колебаний или с уменьшением длины волны скорость света уменьшается, т.е. скорость света уменьшается от красного цвета к фиолетовому. Соответственно при этом увеличивается показатель преломления n. Показатель преломления тяжелого стекла (флинта), например, для красных лучей (λ = 760 нм) составляет 1,73, а для фиолетовых лучей (λ = 380 нм) n =1,81. Явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества от частоты, или соответственно длины световой волны называют дисперсией света.
 |
Это явление можно наблюдать, например, пропуская узкий пучок белого света через трехгранную призму из стекла. При этом лучи с разной длиной волны, входящие в состав белого света, будут отклоняться к основанию призмы на различные углы и выйдут из призмы расходящимся пучком (рис. 1). Если на пути этого пучка поставить экран, то на нем возникнет цветная полоска, которую Ньютон назвал спектром. По общему определению спектром называется совокупность простых (монохроматических) электромагнитных волн, составляющих данное сложное излучение.
Рис. 1
Существуют разнообразные приборы для спектральных исследований, действие которых основано на дисперсии света в стеклянной призме – призменные спектроскопы, спектрографы, монохроматоры. Рассмотрим типы спектров.
Спектр, в котором представлены все длины волн и который, следовательно, состоит из постепенно переходящих одна в другую цветных полос, называется непрерывным, или сплошным спектром. Такие спектры излучения имеют раскаленные твердые и жидкие тела, а также газы, находящиеся под высоким давлением. К этому виду относится и спектр Солнца.
Монохроматическому излучению соответствует в спектре одна узкая линия. Излучение, состоящее из нескольких монохроматических волн, дает линейчатый спектр, состоящий из соответствующего числа линий. Линейчатые спектры характерны для излучения газов и паров металлов. Например, пары натрия имеют в видимой части спектра две близко расположенные линии желтого цвета), пары лития - две линии: красную и оранжевую (на рис. 2, а эти линии в спектре показаны белым цветом), атомы водорода – четыре линии: красную, зелено-голубую, сине-фиолетовую и фиолетовую (рис. 2, б).
Если близко расположенные линии сливаются в более или менее широкие полосы, такой спектр называется полосатым. Полосатый спектр имеет, например, излучение азота, паров йода и др.
а)
б)
┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬
750 700 650 600 550 500 450 λ, нм
Рис. 2
При прохождении белого света через какую-либо прозрачную среду – твердую, жидкую или газообразную - составляющие его простые волны могут поглощаться этой средой неодинаково. Тогда в сплошном спектре белого света появляются участки (линии или полосы) затемнения, характерные для данной среды. Спектром поглощения данной среды называется совокупность простых (монохроматических) электромагнитных волн, поглощенных из белого света при прохождении его через данную среду. Для получения спектра поглощения в обычном спектроскопе или монохроматоре между источником белого света и щелью коллиматора помещается пластинка из исследуемого вещества, кювета с жидкостью или газом.
Спектр поглощения отражает зависимость показателя поглощения данного вещества от частоты (длины волны) света. Для газов и паров металлов под низким давлением показатель поглощения имеет большую величину только при определенных частотах колебаний, которым соответствуют линии в спектре поглощения. Эти частоты равны или кратны частотам собственных колебаний электронов в атомах, при которых поглощение энергии световой волны усиливается за счет резонанса (имеет место резонансное поглощение света веществом).
Опыт показывает, что пары и газы поглощают излучение тех же длин волн, которые они испускают (закон Кирхгофа).
Каждое вещество, простое или сложное, имеет характерный для него спектр. Поэтому по спектру могут быть определены природа и состав вещества. Метод определения качественного или количественного состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. Так, наличие в спектре излучения паров стали линий, характерных для атомов хрома, свидетельствует о присутствии данного химического элемента в сплаве. Сравнивая яркость спектральных линий хрома с яркостью линий железа, можно оценить процентное содержание хрома в образце стали.
Основное преимущество метода спектрального анализа состоит в том, что для его осуществления требуется исключительно малое количество вещества. С его помощью может быть обнаружено присутствие вещества в количестве до 0,1 нг. Методом спектрального анализа было установлено, что живые организмы содержат в крайне незначительных количествах многие металлы – кобальт, хром, титан и др. Спектральный анализ позволяет установить следы крови (судебная медицина), микропримеси металлов в консервированных продуктах и т.п. При этом используются как спектры испускания, так и спектры поглощения.