Главная | Обратная связь

Розподіл енергії в спектрі

На екрані за заломлюючої призмою монохроматичні кольори в спектрі розташовуються в наступному порядку: червоний (що має найбільшу серед хвиль видимого світла довжину хвилі (λ = 7,6*10^{-7 м і найменший показник заломлення), оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий (що має найменшу у видимому спектрі довжину хвилі (}λ = 4,2*10^{-7 м і найбільший показник заломлення).} Жодне з джерел не дає монохроматичного світла, тобто світла строго певної довжини хвилі. У цьому нас переконують досліди по розкладу світла в спектр за допомогою призми, а також досліди з інтерференції і дифракції. Та енергія, яку несе з собою світло від джерела, визначеним чином розподілена по хвилях всіх довжин, що входять до складу світлового пучка. Щільність потоку електромагнітного випромінювання, або інтенсивність, визначається енергією ∆W, що припадає на всі частоти. Для характеристики розподілу випромінювання за частотами потрібно ввести нову величину: інтенсивність, що припадає на одиничний інтервал частот. Цю величину називають спектральною щільністю інтенсивності випромінювання. Спектральну щільність потоку випромінювання можна знайти експериментально. Для цього треба за допомогою призми отримати спектр випромінювання, наприклад, електричної дуги, і виміряти щільність потоку випромінювання, що припадає на невеликі спектральні інтервали. Покладатися на око при оцінці розподілу енергії не можна. Око володіє виборчою чутливістю до світла: максимум його чутливості лежить в жовто-зеленій області спектра. Найкраще скористатися властивістю чорного тіла майже повністю поглинати світло всіх довжин хвиль. При цьому енергія випромінювання (тобто світла) викликає нагрівання тіла. Тому досить виміряти температуру тіла і по ній судити про кількості поглиненої в одиницю часу енергії.

Звичайний термометр має занадто малу чутливість для того, щоб його можна було з успіхом використовувати в таких дослідах. Потрібні більш чутливі прилади для вимірювання температури. Можна взяти електричний термометр, в якому чутливий елемент виконаний у вигляді тонкої металевої пластини. Цю пластину треба покрити тонким шаром сажі, майже повністю поглинає світло будь-якої довжини хвилі. Чутливу до нагрівання пластину приладу слід помістити в те або інше місце спектру. Всьому мабуть спектру завдовжки l від червоних променів до фіолетових відповідає інтервал частот від ʋ_черв до ʋ_ф. Ширині відповідає малий інтервал. За нагріванням чорної пластини приладу можна судити про щільність потоку випромінювання, що припадає на інтервал частот. Переміщуючи пластину вздовж спектра, ми виявимо, що більша частина енергії припадає на червону частину спектру, а не на жовто-зелену, як здається на око. За результатами цих дослідів можна побудувати криву залежності спектральної щільності інтенсивності випромінювання від частоти. Спектральна щільність інтенсивності випромінювання визначається по температурі пластини, а частоту неважко знайти, якщо використовувати для розкладання світла прилад проградуйованій, тобто, якщо відомо, якій частоті відповідає дана ділянка спектра.

Крива залежності спектральної щільносьті інтенсивності випромінювання від частоти у видимій частині спектру електричної дуги.

Види спектрів

Спектральний склад випромінювання речовин дуже різноманітний. Але, незважаючи на це, всі спектри, як показує досвід, можна розділити на кілька типів: існують безперервні, лінійчаті і смугасті спектри випромінювання та стільки ж видів спектрів поглинання.

-Безперервні спектри. Сонячний спектр або спектр дугового ліхтаря є безперервним. Це означає, що в спектрі представлені хвилі всіх довжин. У спектрі немає розривів, і на екрані спектрографа можна бачити різнокольорову суцільну смугу.

Розподіл енергії по частотах, тобто спектральна щільність інтенсивності випромінювання, для різних тіл по-різному. Наприклад, тіло з дуже чорною поверхнею випромінює електромагнітні хвилі всіх частот, але крива залежності спектральної щільності інтенсивності випромінювання від частоти має максимум при певній частоті. Енергія випромінювання, що припадає на дуже малі і дуже великі частоти, мізерно мала. При підвищенні температури максимум спектральної щільності випромінювання зміщується в бік коротких хвиль. Безперервні (чи суцільний) спектри, як показує досвід, дають тіла, що знаходяться в твердому або рідкому стані, а також сильно стиснуті гази. Для отримання безперервного спектру потрібно нагріти тіло до високої температури. Характер безперервного спектру і сам факт його існування визначаються не тільки властивостями окремих випромінюючих атомів, а й у сильному ступені залежать від взаємодії атомів один з одним. Безперервний спектр дає також високо температурна плазма. Електромагнітні хвилі випромінюються плазмою в основному при зіткненні електронів з іонами.

-Лінійчаті спектри. Внесемо в бліде полум'я газового пальника шматочок азбесту, змоченого розчином звичайної кухонної солі. При спостереженні полум'я в спектроскопі на фоні ледь помітного безперервного спектра полум'я, спалахує яскрава жовта лінія. Цю жовту лінію дають пари натрію, які утворюються при розщепленні молекул повареної солі в полум'я. Кожен з них - це частокіл кольорових ліній різної яскравості, розділених широкими темними смугами. Такі спектри називаються лінійчаті. Наявність лінійчатого спектру означає, що речовина випромінює світло тільки цілком певних довжин хвиль (точніше, в певних дуже вузьких спектральних інтервалах). Кожна лінія має кінцеву ширину. Лінійчаті спектри дають всі речовини в газоподібному, атомарному (але немолекулярному) стані. У цьому випадку світло випромінюють атоми, які практично не взаємодіють один з одним. Це самий фундаментальний, основний тип спектрів. Ізольовані атоми випромінюють строго певні довжини хвиль. Зазвичай для спостереження лінійчатих спектрів використовують світіння парів речовини в полум'я або світіння газового розряду в трубці, наповненої досліджуваним газом. При збільшенні щільності атомарного газу окремі спектральні лінії розширюються, і, нарешті, при дуже великому стисненні газу, коли взаємодія атомів стає суттєвим, ці лінії перекривають одинодного, створюючи безперервний спектр.

Зразковий розподіл спектральної щільності інтенсивності випромінювання у лінійчатому спектрі

-Смугасті спектри. Смугастий спектр складається з окремих смуг, розділених темними проміжками. За допомогою дуже хорошого спектрального апарата можна виявити, що кожна смуга являє собою сукупність великого числа дуже тісно розташованих ліній. На відміну від лінійчатих спектрів смугасті спектри створюються не атомами, а молекулами, непов'язаними або слабко пов'язаними один з одним. Для спостереження молекулярних спектрів так само, як і для спостереження лінійчатих спектрів, зазвичай використовують світіння пари в полум'ї або світіння газового розряду.

-Спектри поглинання. Усі речовини, атоми яких знаходяться в збудженому стані, випромінюють світлові хвилі, енергія яких певним чином розподілена по довжинах хвиль. Поглинання світла речовиною також залежить від довжини хвилі. Так, червоне скло пропускає хвилі, що відповідають червоному світлу, і поглинає всі інші. Якщо пропускати біле світло крізь холодний, невипромінюючий газ, то на тлі безперервного спектру джерела з'являються темні лінії. Газ поглинає найбільш інтенсивне світло саме тих довжин хвиль, які він випускає в сильно нагрітому стані. Темні лінії на тлі безперервного спектру – це лінії поглинання, що утворюють в сукупності спектр поглинання.

Лінійчаті спектри відіграють особливо важливу роль, тому що їх структура прямо пов'язана з будовою атома. Адже ці спектри створюються атомами, не відчувають зовнішніх впливів. Тому, знайомлячись з лінійчатими спектрами, ми тим самим робимо перший крок до вивчення будови атомів. Спостерігаючи ці спектри, вчені отримали можливість «зазирнути» всередину атома. Ця наука називається спектральний аналіз.