Виды спектров. Спектральный анализ

Что наш язык земной

Пред дивною природой?

С какой небрежностью и легкою свободой

Она рассыпала повсюду красоту

И разновидное с единством согласила!

К. Батюшков

В данной теме речь пойдет о спектрах и спектральных аппаратах, рассмотрим основные виды спектров, а также поговорим о спектральном анализе.

Ранее рассматривалась дисперсия света. Дисперсия — это зависимость скорости распространения световых волн в среде от частоты света.

Впервые подробно исследовал дисперсию света Исаак Ньютон. Он доказал, что белый свет — это сложный свет, который состоит из простых, монохроматических лучей, которые при прохождении через призму отклоняются.

Радужную полоску, наблюдавшуюся на экране после прохождения белого света через призму, Исаак Ньютон назвал спектром.

В настоящее время, спектры, полученные от самосветящихся тел, называются спектрами испускания. Их делят на три основных и принципиально разных типа: линейчатые, полосатые и сплошные.

Непрерывные спектры испускаются раскаленными телами в твердом или жидком состоянии, а также газами, которые находятся при очень высоком давлении и плазмой. Вследствие интенсивного взаимодействия между молекулами индивидуальные черты, присущие отдельным частицам, в таких спектрах неразличимы. В них представлены все длины волн, нет темных промежутков и на экране видна сплошная разноцветная полоса.

Следующий тип — это линейчатые спектры. Их имеют все вещества, находящиеся в газообразном или атомарном состоянии. Такие спектры состоят из отдельных узких линий различного цвета, которые разделены широкими темными промежутками.

Изучение линейчатых спектров показало, что каждый химический элемент обладает своим строго индивидуальным спектром. Такие спектры отличаются друг от друга цветом отдельных светящихся линий, их положением и числом.

Полосатые спектры состоят из ряда цветных полос, которые разделены темными промежутками. С помощью хорошего оборудования можно обнаружить, что каждая полоса в таком спектре состоит из большого числа очень тесно расположенных линий. Полосатый спектр характерен для молекулярных газов, т.е. газов состоящих из слабо связанных друг с другом молекул.

Прозрачные вещества поглощают часть падающего на них излучения, и в спектре, полученном после прохождения белого света через такие вещества, появляются темные линии, или полосы поглощения. Такой спектр называется спектром поглощения.

Спектры поглощения твердых и жидких тел обычно имеют вид широких темных полос, которые закрывают часть сплошного спектра источника, а в случае атомарных газов они состоят из отдельных темных линий, видимых на фоне сплошного спектра. Так, например, если свет от электрической лампы пропустить через сосуд, содержащий пары лития или водорода, то на сплошном спектре лампы мы увидим узкие черные линии в соответствующих областях спектра.

Для спектров поглощения открыт закон обратимости спектральных линий Кирхгофа: линии поглощения соответствуют линиям испускания. Иными словами, атомы менее нагретых тел поглощают из сплошного спектра только те частоты, которые в других условиях они испускают. Эта закономерность дает возможность обнаружить те или иные элементы в данном веществе.

Примером спектра поглощения может служить спектр поглощения солнечной атмосферы. Его сплошной спектр содержит значительное количество черных линий (около 20 000), возникающих при прохождении света через газовую оболочку Солнца и атмосферу Земли. Они получили название фраунгоферовых линий, так как именно Фраунгофер впервые наблюдал спектр Солнца и установил, что закономерность расположения линий поглощения не случайна и темные линии появляются всегда на строго определенных местах. По этим линиям был определен состав солнечной атмосферы и впервые открыт гелий.

Изучение спектров различных веществ показало, что подобно отпечаткам пальцев или радужной оболочки глаз у людей или узора на хвостах синих китов, линейчатые спектры различных элементов имеют свою неповторимую индивидуальность.

Для определения качественного и количественного состава вещества применяется метод, основанный на получении и исследовании его спектров. Этот метод называется спектральным анализом.