Спектр какого типа наблюдается у излучения атомарного ксенона
Приборы и принадлежности: 1) спектроскоп УМ-2, 2) ртутная лампа, 3) неоновая лампа.
Раскаленные одноатомные газы и пары излучают линейчатые спектры, которые состоят из нескольких отдельно стоящих цветных линии на черном фоне. Атомы всех химических элементов имеют свой "спектроскопический портрет", то есть имеют присущие только данному элементу набор цветных линий в спектре. Например, натрий имеет две близко расположенные линии в желтой области спектра, водород – три, две из которых находятся в синей части спектра и одна в оранжевой.
Спектры многоатомных газов и паров состоят из ряда широких полос, это- молекулярные спектры. Наблюдения с помощью спектроскопов высокого разрешения показывают, что полосы молекулярных спектров состоят из отдельных линий.
Линейчатые спектры испускания от раскалённых одноатомных газов и паров наиболее полно объясняются с точки зрения квантовой механики. Согласно представлениям квантовой механики свет - это поток микрочастиц - фотонов, которые обладают одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами. Волновые свойства проявляются при распространении света (явления дифракции, интерференции, поляризации). Корпускулярные свойства проявляются в процессе взаимодействия света с веществом (внешний фотоэффект, эффект Комптона), а также в процессах испускания света. Энергия частицы света - фотона EФ равна:
Здесь h = 6,6×10 -34 Дж×с. – постоянная Планка,ν - частота света. Частота ν связана с длиной волны λ света соотношением ν = c / λ, где с-скорость света.
Строение атомов. Атом имеет положительно заряженное ядро, вокруг которого находятся отрицательно заряженные электроны. По представления классической физики электроны вращаются вокруг ядра по определенным траекториям - орбитам. Согласно представлениям квантовой механики электроны находятся вокруг ядра внутри электронного облака, границы которого размыты. Можно говорить лишь о той или иной вероятности обнаружения электрона внутри этого электронного облака. Электронное облако, внутри которого находится электрон, часто называют орбиталью. (Не путать с орбитой!). Электроны многоэлектронного атома находится на орбиталях, которые могут различаться размерами и формой. Орбитали могут иметь форму сферы, гантелей, лепестков и т. д. Если атом находится в основном состоянии, то орбитали внешних электронов имеют минимальные размеры. Если к атому подвести энергию, то размеры орбиталей внешних электронов будут увеличиваться, может изменяться также и их форма. Говорят, что атом при этом переходит в возбуждённое состояние с более высоким значением энергии валентных электронов.
Поскольку раскалённые одноатомные газы и пары излучают линейчатые спектры, рассмотрим процесс испускания света на примере самого простого атома - атома водорода, в электронной оболочке которого находится всего один электрон.
Согласно представлениям квантовой механики энергия этого электрона может изменяться только дискретно и определяется значением главного квантового числа n, которое одновременно определяет и размер электронного облака (орбитали). Если n = 1, электрон находится в основном состоянии, то есть находится на наименьшей по размеру орбитали и, следовательно, имеет самое низкое значение энергии -Е1 (Необходимо отметить, что энергия электрона имеет здесь отрицательное значение, так как за нулевое значение принимают энергию ионизации атома водорода, т.е. энергию, необходимую для отрыва электрона от атома). В основномсостоянии электрон может находиться сколько угодно долго.
Если к атому водорода подвести энергию, например, нагреть, то электрон переходит в возбужденное состояние, то есть переходит на более высокие орбитали, где его энергия больше. Согласно квантовым представлениям энергия электрона может иметь при этом только ряд дискретных значений:
где n = 1, 2, 3 …- главное квантовое число. Через время порядка 10 -8 с электрон переходит на более низкие орбитали, то есть в состояние с меньшей энергией. В процессе такого перехода электрон излучает фотон, который и уносит излишек энергии электрона. Обозначим буквой k главное квантовое число орбитали, с которой ушёл электрон, а буквой n - главное квантовое число орбитали, на которую пришёл электрон. Тогда энергия фотона в соответствие с законом сохранения энергии ЕФ = -Еk - (-Еn). Здесь Еk -энергия электрона на орбитали, с которой ушёл электрон, а Еn -энергия электрона на орбитали, на которую электрон пришёл. Длину волны λ излучённого фотона можно найти из уравнения:
Здесь k- главное квантовое число орбитали, с которой ушёл электрон, n- главное квантовое число орбитали, на которую электрон пришёл. При каждом таком переходе электрона излучается фотон с длиной волны λ, и в спектре испускания будет видна одна цветная линия. Если энергия, подведённая к водороду, будет достаточно велика (достаточно высокая температура нагрева), то будут возбуждены энергетические уровни с большими значениями главного квантового числа n. Следовательно, может быть совершено большее количество переходов электрона на более низкие энергетические уровни, сопровождающиеся испусканием фотонов с различными дискретными значениями λ. На спектре испускания при этом будет наблюдаться дополнительное количество линий.
На рис. 1 горизонтальными линиями представлены энергетические уровни основного и возбуждённых состояний атома водорода. Стрелками указаны возможные переходы электрона, при которых происходит излучение фотонов.
В спектре излучения атома водорода при этом будет наблюдаться несколько серий линий. При переходе электронов из возбуждённых состояний в состояние с n = 1, излучается серия линий в ультрафиолетовой области (серия Лаймана);
при переходе электронов в состояние с n = 2 - серия линий в видимой области (серия Бальмера); при переходе электронов в состояние с n = 3 - серия линий в инфракрас ной области (серия Пашена).
 |
На рис. 1а приведён спектр испускания атома водорода в видимой области.
В многоэлектронных атомах дискретные значения энергии возбужденных электронов определяется не только главным квантовым числом n, но и квантовыми числами ℓ, m и s. Орбитальное квантовое число ℓ = 0, 1, 2,……(n -1) характеризует форму электронного облака. Магнитное квантовое число m = 0, ±1, ±2, …..±ℓ, характеризует ориентацию электронного облака в пространстве относительно направления магнитного поля. Спиновое квантовое число s = ±½ характеризует ориентацию собственного момента импульса (спина) электрона в пространстве относительно направления магнитного поля.
Следствием этого обстоятельства является наличие у многоэлектронных атомов большого количества энергетических уровней и возможных переходов с них возбуждённых электронов с испусканием фотонов, а, значит и большого количества линий в спектрах испускания. В данной работе имеется возможность наблюдения спектра испускания в видимой области паров атома ртути, на внешней оболочке которой находится два электрона, и одноатомного газа неона, во внешней оболочке которого находится 8 электронов.
В разреженном газе или паре атомы находятся на больших расстояниях друг от друга, являются независимыми излучателями и дают линейчатые спектры испускания. Атомы в молекулах расположены близко друг к другу, происходит взаимодействие их электрических и магнитных полей. Из-за взаимодействия энергетические уровни атомов испытывают дополнительные расщепления, а спектры испускания становятся "полосатыми", состоящими из большого количества линий.
На атом, находящийся в кристаллической решётке твёрдого тела, оказывают влияние все другие атомы решётки таким образом, что каждый энергетический уровень отдельного атома разбивается на подуровни, количество которых равно количеству атомов в твёрдом теле. Громадное количество энергетических уровней, с которых могут переходить возбуждённые электроны, обуславливает сплошной спектр излучения раскалённых твёрдых тел и жидкостей.
Задание 18 № 1192
Для изучения интенсивности излучения на отдельных участках спектра от нагретых тел используют термоэлементы. Чувствительная часть фотоэлемента покрыта налётом сажи, которая поглощает все падающее на неё излучение. Измеряя нагревание фотоэлемента на отдельных участках спектра, можно судить о распределении энергии по спектру.
Можно ли судить о распределении энергии, например, в линейчатом спектре нагретого атомарного газа, визуально наблюдая и сравнивая яркость отдельных линий в видимой части спектра? Ответ поясните.
Цветовое зрение
Любой объект излучает электромагнитные волны в очень широком диапазоне частот. При этом интенсивность излучения напрямую зависит от температуры объекта (рис. 1).
Максимум излучения Солнца, поверхность которого имеет температуру около 6000 К, приходится на диапазон длин волн, которые в процессе эволюции определили цветовое зрение человека.
Среди органов чувств глаз занимает особое место. На долю зрения приходится до 80% информации, воспринимаемой организмом извне. Человек с помощью зрения воспринимает размеры предметов, их форму, расположение в пространстве, движение, а, главное, цвет.
Приемниками светового излучения человека служат колбочки (фоторецепторы трёх типов) и палочки (фоторецепторы одного типа).
Колбочки, в зависимости от их спектральной чувствительности, подразделяются на три типа и обозначаются греческими буквами ρ, γ и β. Максимумы спектральной чувствительности этих типов колбочек находятся в трёх разных спектральных участках: красном, зелёном и синем (рис. 2).
Спектры поглощения показывают вероятность поглощения фотона для данной длины волны. Спектры поглощения перекрываются, а это означает, что зрительная система в состоянии различить частоту волны, сравнивая количества поглощения энергии разных видов колбочек.
Палочки, расположенные по периферии сетчатки, играют основную роль в создании ахроматических зрительных образов. Палочки обладают высокой чувствительностью к свету, воспринимают волны с малой амплитудой, но не умеют различать их длину, то есть результат восприятия волн разной длины у всех палочек одинаков.
Задания Д16 C3 № 1190
На какой диапазон электромагнитного излучения (рентгеновское, ультрафиолетовое видимое или инфракрасное излучение) приходится максимум излучения тела, нагретого до температуры 4500 К?
Из Рис. 1 определяем, что максимум излучения тела, нагретого до температуры 4500 К лежит в инфракрасном диапазоне.
Спектрограф — прибор для регистрации излучения с помощью фотоматериалов или электронно-оптических преобразователей.
Внешний вид и устройство одного из таких приборов — двухтрубного спектроскопа — показано на рисунке \(1\).
На рисунке \(2\) показано схематичное изображение хода луча в спектроскопе с целью получения визуальной картинки спектра, где отражены свойства линзы фокусировать лучи и призмы — их преломлять в зависимости от показателя преломления.
- непрерывные ( применительно к описанию визуальной картины спектра обозначает наличие всех длин волн видимого спектра, что определяет другое название такого вида спектра — сплошной );
- линейчатые ( обозначает наличие в спектре визуального изображения света с конкретной длиной волны (частотой) );
- полосатые (обозначает наличие на визуальной картине спектра совокупности большого числа близко расположенных полос).
Спектр сильно сжатых газов, которые нагреты до высокой температуры, является непрерывным (рис. \(3\)). Данный факт обусловлен незначительным различием при данных физических условиях между молекулярными силами взаимодействия в жидких, твердых и газообразных веществах.
Спектр излучения нагретых до высокой температуры газообразных веществ выглядит на фотографии в виде линии, что и обуславливает его название — линейчатый . Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах.
На рисунке мы видим спектр атомов натрия и не видим спектр атомов хлора, хотя нагревали поваренную соль. Для свечения атомов хлора необходимо больше энергии, чем для свечения атомов натрия. Поэтому спектр излучения атомов натрия яркий, а спектр атомов хлора не наблюдается .
Для получения спектра поглощения исследуемое вещество, атомы и молекулы которого находятся в невозбужденном состоянии, облучается белым светом, который даёт сплошной спектр.
Линейчатые спектры характерны для газов и паров жидкости. Они создаются излучением отдельных атомов химических элементов, не связанных в молекулы.
На рисунке изображён спектр поглощения паров натрия при пропускании белого света. Электрон, переходя в возбуждённое состояние, забирает определённую порцию энергии, что отображено чёрной полоской. Так как полоска находится в жёлтом диапазоне спектра, то и поглощённая волна имеет такую же частоту.
Две тёмные спектральные линии поглощения расположены в том же самом месте, где находятся две цветные линии спектра излучения газообразного натрия. Эта особенность расположения линий в спектре излучения и спектре поглощения характерна для всех веществ.
В середине \(XIX\) в. к такому же выводу пришёл Г. Кирхгоф, сформулировав закон для всех химических элементов: атомы элементов поглощают те же длины волн, которые они излучают.
Доступно для всех учеников 1-11 классов и дошкольников
- Онлайн
формат - Диплом
гособразца - Помощь в трудоустройстве
Описание презентации по отдельным слайдам:
Дисперсия света. Цвета тел. Типы оптических спектров.
Дисперсия света
показатель преломления среды n зависит от скорости света v в веществе:
n=c/v, где c — скорость света в вакууме.
Следовательно, пучок фиолетового цвета преломляется в большей степени, потому что фиолетовый цвет имеет в веществе наименьшую скорость. Красные же лучи преломляются меньше других, потому что их скорость в веществе наибольшая.
Дисперсией света называется зависимость показателя преломления вещества и скорости света в нём от частоты световой волны.
Цвет тела
Многообразие цветовой гаммы окружающего мира объясняется явлениями отражения и поглощения света.
зелёный цвет травы объясняется тем, что из падающего на неё света она отражает лишь лучи зелёного цвета, поглощая все остальные.
Зелёное стекло поглощает весь свет, кроме зелёного, красное – весь свет, кроме красного
Спектроскоп
Для разложения света в спектр используется призма 4 (явленеи дисперсии) . В трубе 2 (коллиматоре) имеется узкая щель 1, расположенная в фокальной плоскости линзы Л3. Благодаря этому на призму падает параллельный пучок света. Из призмы выходят цветные пучки света, параллельные между собой. Линза Л5 фокусирует параллельные лучи и даёт на экране 7 (окуляр) множество изображений щели — спектр. 6 – зрительная труба.
Типы спектров
Различают спектры излучения (испускания) и спектры поглощения.
Спектры излучения могут быть сплошными и линейчатыми.
Сплошной (непрерывный) спектр излучения состоит из всех спектральных цветов, непрерывно переходящих друг в друга. Его создают вещества в твёрдом и жидком состоянии, разогретые до высокой температуры
Линейчатый спектр излучения состоит из отдельных спектральных линий, каждой из которых соответствует определённая длина волны. Его излучают вещества, находящиеся в атомарном газообразном состоянии. Для получения линейчатого спектра исследуемое вещество нужно перевести в газообразное состояние и нагреть до высокой температуры.
Каждому химическому элементу присущ свой спектр излучения.
Спектры поглощения получают, пропуская белый свет через исследуемое вещество.
Атомы данного элемента поглощают световые волны тех же самых частот, на которых они излучают.
6. На столе стоит сервиз из белого фарфора. Белый цвет приборов сервиза говорит о том, что
А. белая эмаль, которой покрыты приборы, отражает свет всех длин волн видимого спектра
Б. белая эмаль, которой покрыты приборы, отражает свет всех длин волн, кроме белого цвета
В. белая эмаль, которой покрыты приборы, поглощает свет всех длин волн, кроме белого цвета
Г. белая эмаль, которой покрыты приборы, поглощает свет всех длин волн видимого спектра
7. Вставь пропущенное слово в соответствующем падеже.
После прохождения белого света через голубое стекло свет становится ______________.
Выбери правильное утверждение.
А. Это происходит из-за того, что
Б. это стекло поглощает в основном только световые волны голубого цвета
В. это стекло отражает световые волны голубого цвета
Г. это стекло пропускает в основном только световые волны голубого цвета
Д. световые волны других цветов в основном отражаются
8. Укажи утверждение, в котором содержится ошибка:
А. длина световой волны красного цвета в среде больше длины световой волны фиолетового цвета в этой же среде
Б. показатель преломления вещества зависит от частоты проходящей через него световой волны
В. чем меньше длина световой волны в среде, тем меньше показатель преломления среды для неё
Г. к цветам, составляющим оптический спектр, относятся такие цвета, как жёлтый и зелёный
9. Спектр какого типа изображён на рисунке?
1. сплошной спектр излучения
2. линейчатый спектр испускания
3. полосатый спектр излучения
4. линейчатый спектр поглощения
10 . Найди верн(-ое, -ые) утверждени(-е, -я):
А. исследуя линейчатый спектр излучения и поглощения вещества, можно определить, из каких элементов оно состоит;
Б. линейчатый спектр излучения дают вещества, находящиеся в атомарном газообразном состоянии.
и А, и Б только Б ни А, ни Б только А
11. Известно, что атомы ксенона излучают в видимой части спектра излучение, соответствующее длинам волн 467 и 462 нм. Какой (каким) длине (длинам) волн соответствует поглощение атомов ксенона?
А. 467 и 462 нм
Б. 467 нм
В. 462 нм
Г. волнам любой длины
12. Из трёх предложенных цветов выбери тот, который будет распространяться в веществе с большей скоростью ?.
13. Какого цвета нам будет казаться красная роза, если на неё смотреть сквозь зелёное стекло?
А. красного
Б. серого
В. синего
Г. чёрного
14. Является ли свет коричневого цвета монохроматическим?
А. является Б. не является
14. Рассмотри рисунки и найди тот, на котором показан линейчатый спектр поглощения:
А.
Б.
В.
15. На рисунке представлены спектры поглощения газов А и В и газовой смеси Б. Что можно сказать: о химическом составе газовой смеси Б?
А. Газовая смесь содержит газы А, В и другие неизвестные газы
Б. газовая смесь не содержит газы А и В, а содержит другой неизвестный газ
В. газовая смесь содержит газ А и другой неизвестный газ
Г. газовая смесь содержит газы А и В
Спектральный состав излучения атомов различных веществ весьма разнообразен. Тем не менее, все спектры можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.
Непрерывные (сплошные) спектры. В непрерывном спектре излучения (Рис 4.12.1) представлены волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу с плавным переходом от одного цвета к другому.
Непрерывные (или сплошные) спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.
Линейчатые спектры. Линейчатые спектры излучения (Рис 4.12.2,3,4) представляют собой набор цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину. Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не в молекулярном) состоянии. Изолированные атомы химического элемента излучают строго определенные длины волн, характерные данному химическому элементу. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со своим набором энергетических уровней.
Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.
Полосатые спектры. Полосатые спектры излучения состоят из отдельных полос, разделенных темными промежутками (Рис 4.13: а, б). С помощью очень хорошего спектрального прибора можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Спектры поглощения. Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии поглощения (Рис. 4.14). Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения. Спектры поглощения могут быть непрерывными, линейчатыми и полосатыми.
Атом, поглощая свет, переходит из основного состояния в возбужденное, причем для возбуждения атомов пригодны строго определенные кванты энергии , соответствующие данному газу. Поэтому газ поглощает из непрерывного спектра те самые кванты света, которые может излучать сам.
На рисунках 4.12 и 4.14 сопоставлены спектры испускания и поглощения разреженных паров натрия, водорода и гелия. Изучая спектры испускания и поглощения атомов, еще в 19 веке физики пришли к выводу, что атом не является неделимой частицей, а обладает некоторой внутренней сложной структурой.
Использование линейчатых спектров лежит в основе спектрального анализа – метода исследования химического состава веществ по их спектрам. Отдельные линии в спектрах различных элементов могут совпадать, но в целом спектр каждого элемента является его индивидуальной характеристикой. Спектральный анализ сыграл большую роль в науке. Например, в спектре Солнца (1814) были открыты фраунгоферовы темные линии, происхождение которых объясняется следующим образом. Солнце, являясь раскаленным газовым шаром (Т ~ 6000 °С), испускает сплошной спектр.
Солнечные лучи проходят через атмосферу Солнца (солнечную корону, температура которой ~2000-3000 °С. Корона поглощает из сплошного спектра излучение определенной частоты, а на Земле регистрируется солнечный спектр поглощения (рис. 4.14.5), по которому можно определить, какие химические элементы присутствуют в короне Солнца. По спектрам поглощения на Солнце были обнаружены все земные элементы, а также неизвестный ранее элемент, который назвали гелий. Через 26 лет (1894) открыли гелий на Земле. Благодаря спектральному анализу на Земле было открыто еще 25 химических элементов.
Более того, спектральный анализ Солнца и звезд показал, что входящие в их состав химические элементы имеются и на Земле, т.е. вещество Вселенной состоит из одного и того же набора элементов. Из-за своей сравнительной простоты и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов как по спектрам испускания, так и по спектрам поглощения. Состав сложных смесей анализируется по молекулярным спектрам. При определенных условиях методами спектрального анализа можно не только определить химический состав компонент, но и их количественное содержание.
Читайте также: