Оптические спектры - Физика атома - ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Спектр (от лат. spectrum — представление, образ) — совокупность всех значений какой-либо физической величины, характеризующей систему или процесс.

Чаще всего пользуются понятиями частотного спектра колебаний (в частности, электромагнитных), спектра энергий, импульсов и масс частиц. Спектр может быть непрерывным и дискретным (прерывистым).

Оптические спектры — спектры электромагнитных излучений в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах длин волн. Оптические спектры разделяют на спектры испускания, спектры поглощения (абсорбционные спектры), спектры рассеяния и спектры отражения.

Оптические спектры получают от источников света при разложении их излучения по длинам волн λ (или частотам v = c/ λ, или волновым числам 1/ λ = v/c, которые тоже обозначают v) с помощью спектральных приборов. Для характеристики распределения излучения по частотам вводят спектральную плотность излучения I(v), равную интенсивности излучения I, приходящейся на единичный интервал частот (интенсивность излучения I — это плотность потока электромагнитного излучения, приходящегося на все частоты).Интенсивность излучения, приходящаяся на небольшой спектральный интервал Δv, равна I(v)Δv. Суммируя подобные выражения по всем частотам спектра, получимплотность потока излучения I.

Виды спектров

Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Несмотря на это, все спектры можно разделить на три типа: непрерывные, линейчатые и полосатые спектры.

Непрерывные спектры, или сплошные спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра тело нужно нагреть до высокой температуры.

Непрерывные спектры определяются не только излучательной способностью самих атомов, но в значительной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

На рис. 4.5 приведена кривая зависимости спектральной плотности интенсивности теплового излучения от частоты (спектр) тела с очень черной поверхностью. Кривая имеет максимум при некоторой частоте vmax, зависящей от температуры тела. При увеличении температуры максимум энергии излучения сдвигается к большим частотам. Энергия излучения, приходящаяся на очень малые (v → 0) и очень большие (v → ∞) частоты, ничтожно мала. В сплошном спектре представлены все длины волн.

Линейчатые спектры состоят из отдельных спектральных линий (рис. 4.6); это означает, что вещество излучает свет определенных длин волн в определенных, очень узких спектральных интервалах. Каждая линия имеет конечную ширину.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае излучают атомы, не взаимодействующие друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.

Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн, характерные для данного типа атомов.

Классическим примером линейчатого спектра является спектр атома водорода.

Спектральные закономерности в спектре атома водорода. Все частоты излучений атома водорода составляют ряд серий, каждая из которых образуется при переходе атома в одно из энергетических состояний из всех верхних энергетических состояний, т. е. состояний с большей энергией, пользуясь терминологией спектроскопии — переходов электрона с верхних возбужденных уровней энергии на нижние уровни. На рис. 4.4, а изображены переходы на второй возбужденный энергетический уровень, составляющие серию Бальмера, частоты излучения которой лежат в видимой области спектра. Серия названа по имени швейцарского учителя И. Бальмера, который еще в 1885 г. на основе экспериментальных результатов вывел простую формулу для определения частот видимой части спектра водорода:

где n= 3, 4, 5, ...; R — постоянная Ридберга, определенная из спектральных данных и позднее вычисленная на основе теории атома Бора. В этой формуле v — не частота, измеряемая в с-1, а волновое число, равное обратному значению длины волны 1/λ, и измеряемое в м -1.

Для определения частот излучения других серий атома водорода вместо двойки в знаменателе первой дроби в формуле (4.12) нужно поставить числа 1, 3, 4, 5. Ниже в табл. 4.1 приведены номера нижних энергетических уровней, при переходе на которые с верхних уровней излучаются соответствующие серии.

Таблица 4.1

Номер нижнего уровня	Название серии (фамилия ученого) и год ее открытия	Область спектра излучения
1	Лаймана, 1916	Ультрафиолетовая
2	Бальмера, 1885	Видимая
3	Пашена, 1908	Инфракрасная
4	Брекета, 1922	Инфракрасная
5	Пфунда, 1924	Инфракрасная

Полосатые спектры состоят из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса состоит из большого числа тесно расположенных линий. Полосатые спектры излучают молекулы, не связанные или слабо связанные друг с другом.

Для наблюдения молекулярных спектров, как и для наблюдения линейчатых спектров, используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

Спектры поглощения делятся на те же три типа (сплошные, линейчатые и полосатые), что и спектры испускания. Поглощение света также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету (λ ≈ 8 · 10 -5см), и поглощает все остальные.

Газ наиболее интенсивно поглощает свет тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии.

Так, если пропускать белый свет сквозь холодный неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра излучения появятся темные линии. Это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Спектральные приборы

Спектральные приборы — это приборы для исследования спектрального состав а электромагнитных излучений по длинам волн (в оптическом диапазоне 10 -3...103 мкм), определения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также спектрального анализа.

Простейшим способом получения распределения интенсивности света по частотам является разложение его в спектр с помощью призмы с последующим сканированием полученного спектра чувствительным элементом (рис. 4.7).

В качестве чувствительного элемента можно использовать чувствительную к нагреванию пластину термометра сопротивления, покрыв ее предварительно сажей для лучшего поглощения света. Ширина ΔI пластины будет соответствовать спектральному участку Δv (рис. 4.8). Сигнал, снимаемый с термометра сопротивления, будет пропорционален поглощенной энергии света в интервале частот Δv — спектральной плотности интенсивности излучения. Откладывая по оси абсцисс значения частот, соответствующих серединам интервалов Δv, а по оси ординат — спектральную плотность интенсивности излучения, получим кривую распределения энергии по частотам (рис. 4.8). На рис. 4.8 представлена видимая часть спектра электрической дуги.

Спектральные аппараты используют для точного исследования спектров. Схема устройства такого аппарата — спектрографа — представлена на рис. 4.9. Исследуемое излучение поступает в коллиматор, представляющий собой трубку, на одном конце которой расположена входная щель, а на другом — собирающая линза L1. Щель находится в фокусе линзы. После линзы параллельный пучок света попадает на призму — диспергирующий элемент прибора (его главная часть). Выходящие из призмы параллельные пучки попадают на линзу L2, в фокусе которой расположен экран — фотопластина или матовое стекло. Линза L2 фокусирует параллельные пучки лучей на экране, где вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждому узкому спектральному интервалу соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.

Призмы могут быть изготовлены не только из стекла, но и из кварца, каменной соли и др., — в зависимости от того, какой интервал частот (или длин волн) спектра излучения подлежит исследованию — видимый, ультрафиолетовый или инфракрасный. Вместо призмы в качестве диспергирующего элемента используется также дифракционная решетка.