Поглощение и испускание света. Происхождение линейчатых спектров. Типы оптических спектров

Как показали различные измерения, спектр излучения тел, нагретых до одной и той же температуры, зависит от рода вещества. Однако если внутри образца сделать полость и соединить её с внешним пространством при помощи малого отверстия, то спектральный состав излучения из отверстия уже не будет зависеть от вещества, а будет определяться только температурой. Это излучение получило название излучения абсолютно чёрного тела.

Смысл столь необычного названия можно понять на основе следующего мысленного опыта. Вместо того чтобы нагревать полость изнутри, будем освещать её снаружи узким световым пучком. В этом случае независимо от вещества образца практически все лучи, попавшие в полость, в результате многократных отражений внутри полости наружу не выйдут. А мы будем видеть перед собой чёрное отверстие.

Таким образом, абсолютно чёрным телом можно назвать такое физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах.

Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет.

В окружающем нас мире нет тел, которые либо только излучают, либо только поглощают излучение. Опыты показали, что излучательная и поглощательная способности тел тесно взаимосвязаны. Чем больше излучательная способность тела при данной температуре, тем лучше оно поглощает энергию при той же температуре.

Зависимость энергии излучения абсолютно чёрного тела от длины волны была тщательно изучена экспериментально. Эта зависимость имеет характерную особенность: существует такая длина волны, на которую приходится максимум энергии, испускаемой абсолютно чёрным телом. И хотя в действительности абсолютно чёрных тел не существует, по своим оптическим свойствам к ним близки сажа, чёрный бархат, чёрная бумага и тому подобное.

В 2014 году учёными Национальной физической лаборатории Великобритании было представлена субстанция из углеродных нанотрубок, которая отражает всего тридцать пять тысячных процента падающего на него излучения. Эта субстанция получила название «вантаблэк» и является самым чёрным из известных веществ.

Были предприняты многочисленные попытки описать на основе теории Максвелла спектр излучения абсолютно чёрного тела, однако все они оказались тщетными.

Выдающийся немецкий учёный Макс Планк в 1900 году нашёл решение проблемы. Он получил формулу, которая детально воспроизвела весь спектр излучения абсолютно чёрного тела, но не имела никакого теоретического обоснования.

Более того, при выводе формулы Планк был вынужден сделать совершенно необычное предположение о том, что излучение испускается отдельными порциями, или квантами.

Революционная идея Планка о прерывистом характере излучения абсолютно чёрного тела явилась основой для построения совершенно новой теории квантовой физики.

Вы уже знаете, что в 1911 году английский учёный Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой в центре атома находится положительно заряженное ядро, которое состоит из протонов и нейтронов, а вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются электроны.

Но планетарная модель атома Резерфорда основывалась на законах классической физики Ньютона. А скоро стало понятно, что движение электронов в атомах подчиняется другим закономерностям. Согласно законам электромагнетизма электроны, движущиеся с ускорением вокруг ядра атома, излучают электромагнитные волны. Поэтому их энергия должна уменьшаться. В результате через очень малое время электрон должен был бы упасть на ядро, и атом прекратил бы своё существование. Но ничего подобного не происходит — атом устойчив. Это противоречие модели атома Резерфорда с фактами говорило о том, что к явлениям микромира законы классической физики неприменимы. Дополнительным аргументом в пользу такого заключения служил и тот факт, что планетарная модель никак не объясняла, почему каждому элементу соответствуют определённые линейчатые спектры, и почему линии испускания и поглощения в спектрах совпадают.

В 1913 году датский учёный Нильс Бор, исходя из планетарной модели атома, попытался объяснить все возникшие противоречия. Бор выдвинул два предположения, которые назвал постулатами.

Первый постулат говорит о том, что атом может находиться в особых стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определённая энергия. Находясь в стационарных состояниях, атом не излучает и не поглощает энергию.

Иными словами, электрон в атоме может находиться не на любых орбитах, а лишь на стационарных уровнях, где излучения не происходит.

Второй постулат говорит о том, что при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергий атома в двух стационарных состояниях.

Впоследствии квант излучения, как вы уже знаете, получил название фотона.

При переходе электрона с орбиты, на которой он имеет более высокую энергию, на другую орбиту с более низкой энергией излучается фотон.

А если электрон переходит из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией, то фотон наоборот поглощается.

Состояние атома, в котором все электроны находятся на стационарных орбитах с наименьшей возможной энергией, называется основным. Все другие состояния атома называются возбуждёнными.

Следует отметить, что на самом деле Бор не отвергал полностью законы классической физики. Выдвинутые им постулаты лишь налагали определённые запреты на многообразие форм классических траекторий электрона в атоме.

Модель атома Бора объясняет также и происхождение линейчатых спектров. Когда свет от нагретого газа проходит через призму, на экране мы видим определённую последовательность цветных полос — спектральных линий. Бор объясняет их появление перемещением электронов из одного стационарного состояния в другое. Даже простейший атом водорода с одним электроном имеет сложный спектр. Бор показал, что он точно связан с порядком возможных орбитальных переходов, которые может сделать этот единственный электрон.

Однако не думайте, что один электрон атома водорода способен излучать всю серию спектральных линий. Когда один электрон переходит с одной орбиты на другую, он излучает только один фотон. А когда мы рассматриваем несколько атомов водорода, то различные электроны переходят на разные орбиты, и мы получаем весь линейчатый спектр.

Согласие расчёта положения спектральных линий атома водорода по модели Бора с опытными данными свидетельствовало о существовании стационарных состояний атома. Однако, потребовались дополнительные эксперименты, которые могли подтвердить или опровергнуть этот главный постулат теории Бора.

И такие опыты были осуществлены в 1913 году немецкими физиками Джеймсом Франком и Густавом Людвигом Герцем. В этих опытах изучалось столкновение электронов, ускоренных электрическим полем, с атомами паров ртути, заполнявших стеклянную трубку.

Опыты показали, что с ростом напряжения между электродами трубки возрастала и сила тока в анодной цепи. Это свидетельствовало о том, что кинетическая энергия электронов, излучаемых катодом, увеличивалась. Однако при некотором определённом значении напряжения происходило резкое уменьшение силы тока в цепи анода. Последнее означало, что электроны, получившие определённый запас кинетической энергии, практически полностью теряли её в результате столкновений с атомами ртути. При этом большая часть энергии электронов превращалась в энергию возбуждения атомов ртути. В тех же случаях, когда энергия электронов была меньше некоторого определённого значения, их столкновения с атомами носили упругий характер. При таких столкновениях электроны не передавали энергию атомам ртути. Отсюда следовало, что внутренняя энергия атома не может принимать произвольные значения. Другими словами, у атома существует набор определённых дискретных состояний, энергии которых различаются. Поэтому и изменения энергии атома могут носить только дискретный характер.

Таким образом, опыты Франка и Герца доказали наличие у атомов стационарных состояний, что полностью подтвердило основные положения теории Бора.

Простейшее представление о спектре можно получить, глядя на радугу или на цветовые переливы на дорожках лазерного диска. Белый свет, преломляясь в капельках воды, образует радугу, так как он состоит из множества лучей всех цветов, а те преломляются по-разному: красные - слабее всего, синие и фиолетовые - сильнее всего. Именно синие лучи, рассеиваясь, придают небу его цвет. Радуга - это разложенный на цвета свет Солнца, его спектр.

Астрономы исследуют спектры Солнца, звезд, планет, комет, так как по спектрам можно многое узнать. В самом простом случае, спектр получают так. Свет пропускают сквозь узкую щель, за которой стоит преломляющая свет призма, за призмой - экран или глаз наблюдателя. Если источник света излучает свет всех длин волн, спектр выглядит как непрерывная полоса, плавно меняющая свой цвет от одного края до другого, от красного цвета до фиолетового. Эта полоса - бесчисленная череда изображений щели, через которую прошел свет, по-разному отклоненный призмой. Такой вид спектра называется непрерывным. Лампа накаливания как раз обладает таким спектром.

Если испарить маленькую частицу вещества, затем нагреть, чтобы этот газ светился, и получить спектр такого света, то мы увидим не сплошную полосу, а набор отдельных линий (изображений щели), соответствующих определенным длинам волн. Причем, каждому веществу соответствует свой и только свой набор таких линий. По набору их можно определить, что за вещество излучает свет. На этом основан спектроскопический химический анализ. Если вещество, к примеру, состоит из смеси газов кислорода и азота, то в спектре этого газа будут только линии, присущие кислороду и азоту. Такой вид спектра называется линейчатым спектром излучения. Им обладает, например, свет ртутной лампы. Линии в спектрах элементов и веществ имеют свои обозначения, например весьма употребительно в этой энциклопедии название Альфа-линии в спектре водорода. Это красная линия, в лучах соответствующей длины волны активно изучает водород газопылевых облаков.

Холодный же газ не испускает свет, а поглощает его, причем, только свет тех длин волн, которые присущи этому газу, то есть как раз тех, линии которых мы могли бы увидеть в его спектре излучения. Если между нами и источником, дающим непрерывный спектр, поместить холодный газ, то на фоне непрерывного спектра мы увидим ряд темных линий - линий поглощения. Так же как по спектрам излучения, по таким спектрам можно узнать о химическом составе газа, только уже холодного. По интенсивности линий в спектре излучения и степени затемнения линий в спектре поглощения можно судить о количестве того вещества, которому присущи эти линии. Все звезды, по ряду причин, изначально испускают непрерывный спектр. Однако, в более холодных звездных атмосферах свет частично поглощается, и спектр звезд получается в виде непрерывного с линиями поглощения - линейчатого спектра поглощения. По этим спектрам астрономы узнают о химическом составе звезд. Солнечный свет, спектр которого хорошо изучен, отражается от атмосфер и поверхностей планет, претерпевая в них частичное поглощение. По изменениям в спектре отраженного планетой света по сравнению с солнечным судят о химическом составе планетных атмосфер и их поверхностей. По спектрам судят о химическом составе хвостов и ядер комет, поверхностей тел Солнечной системы, облаков межзвездных пыли и газа.

Спектр позволяет определить и температуры небесных тел. При разных температурах мощность светового излучения по-разному распределяется по длине спектра. Чем поверхность звезды холоднее, тем больше максимум ее излучения сдвигается к области красного света, и наоборот. По температурному принципу спектры звезд разделены на несколько типов - спектральных классов. Вот названия классов от самых горячих звезд к самым холодным: O, B, A, F, G, K, M. Есть забавные слоганы для запоминания этой нетривиальной последовательности по первым буквам слов:

Один бритый англичанин финики жевал как морковь
Oh, be a fine girl, kiss me!

Внутри спектрального класса существует 10 подклассов, обозначаемых цифрами от 0 до 9 (тоже по убыванию температуры поверхности звезды). Наше Солнце относят к спектральному классу G2, Сириус - к А1. Иногда классификацию спектров усложняют добавлением еще и римской цифры. Это связано с незаметными на первый взгляд различиями в интенсивности отдельных линий в спектрах звезд с одним и тем же спектральным классом. Эти отличия позволяют судить о размерах звезд. Скажем, спектры красного гиганта и красного карлика с одной и той же температурой будут отличаться толщиной некоторых линий поглощения. Предлагаем Вашему вниманию список ярчайших звезд неба с указанием их спектральных классов и не только.

Эффект Доплера вызывает синее или красное смещение темных линий в спектре. Напомним, что красный свет соответствует большим длинам волн, синий - малым. В случае приближения к нам светящегося объекта световые волны укорачиваются (звезда становится более синей), в случае удаления - световые волны удлиняются (звезда становится более красной). Эдвин Хаббл вывел эмпирическую (опытную) зависимость скорости удаления галактик от расстояния до них. Чем дальше от нас находится галактика, тем больше красное смещение в ее спектре, тем быстрее она удаляется от нас. Изучая спектры и красное смещение далеких галактик, астрономы узнают расстояния до них. Для дальних звездных систем - это почти единственный способ на сегодня.

По тем же смещениям определяется скорость звезд и направление их движения - к нам или от нас. Скорость вращения звезд тоже известна нам благодаря спектрам. Диаметрально противоположные части звезд двигаются в противоположных направлениях, что отражается на линиях в спектре - они утолщаются. По толщине линий и определяется скорость вращения: чем толще, тем быстрее.

По колебаниям линий спектра можно определить наличие планет у звезды. Если линии в спектре раздваиваются и совершают периодические колебания, это может означать, что звезда является двойной. Если двойственность такой пары не различима в телескоп, такие звезды называют спектроскопически-двойными.

Приборы для фотографирования спектров называются спектрографами. Их вместо окуляра используют с телескопами. Приборы, которые непосредственно позволяют глазом видеть спектр, называются спектроскопами. Наконец, приборы, которые проводят измерение спектра, называют спектрометрами.