Спектр излучения и спектр поглощения

Призма (или решетка) позволяют разделить световой луч на различные частоты. Образующийся спектр света  может быть непрерывным или дискретным ("спектр из полос").

Одно из самых больших открытий в квантовой механике стало то, что атомная энергия может принимать лишь определенные значения. Её можно "вычислить" (посмотреть анимацию Энергетические уровни атома водорода). По этой причине, газ из одного атома может поглощать или излучать лишь ограниченное число частот.

Для одного и того же элемента, спектр излучения (верхняя часть анимации) содержит те же частоты, что и спектр поглощения (нижняя часть).

Возникающие при этом сигналы несут качественную и количественную информацию о веществе. Частота сигнала отражает специфические свойства вещества, его природу, а интенсивность сигнала связана с количеством анализируемого соединения.

Оптические методы включают в себя большую группу спектральных методов анализа. Для наблюдения и исследования получаемых сигналов используются различные физические закономерности. Благодаря этому методы спектроскопии позволяют получать детальную информацию о составе, строении и количественном содержании исследуемых веществ.

Цель работы – проанализировать спектр излучения и спектр поглощения.

Задачи:

1) раскрыть сущность понятий спектра излучения и спектра поглощения;

2) рассмотреть процесс спектрального анализа.

1. Понятие спектра излучения и спектра поглощения

В конце девятнадцатого века людям стала понятна природа магнетизма (она хорошо описана в системе уравнений Максвелла). Следующим вопросом, который захотелось разрешить ученым, стало строение вещества. Надо сразу уточнить: для науки ценно не само испускание и поглощение света атомами. Линейчатые спектры - это следствие данного явления и основание для изучения строения веществ.

Человек, который родился позже 1990 года, свою жизнь без разнообразных электронных устройств не может представить. Смартфон не только заменяет телефон, но и дает возможность следить за курсами валют, совершать сделки, вызывать такси и даже переписываться с космонавтами на борту МКС через свои приложения. Соответственно, и воспринимаются все эти цифровые помощники как нечто само собой разумеющееся [12, с. 146].

Согласно ГОСТ 8.654-2016 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Фотометрия. Термины и определения спектральная линия - это монохроматическое излучение, испускаемое или поглощаемое при переходе между двумя энергетическими уровнями.

Спектральная линия является отображением данного энергетического перехода в спектре.

Спектр излучения, спектральная плотность энергетической величины которого постоянна для всех длин волн видимой области спектра [1].

Для более полной картины необходимо рассказать немного о фотонах. Это элементарные частицы, у которых нет массы покоя. Они существуют, только пока движутся сквозь среду. Но массой все-таки обладают: ударяясь о поверхность, они передают ей импульс, что было бы невозможно без массы. Просто свою массу они превращают в энергию, делая вещество, о которое они ударяются и которым они поглощаются, немного теплее.

Свойства фотона и особенности его поведения описывает квантовая физика. Итак, фотон - одновременно и волна, и частица с массой (корпускулярно-волновой дуализм). Фотон обладает следующими характеристиками: длиной (λ), частотой (ν), энергией (Е). Чем больше длина волны, тем ниже частота, и тем ниже энергия.

Если на пути пучка солнечного света, проникающего через узкую длинную прямоугольную щель, поместить призму, то на экране мы увидим не изображение щели, а растянутую цветную полоску с постепенным переходом цветов от красного к фиолетовому - спектр. Это явление наблюдал еще Ньютон. Это означает, что в состав солнечного света входят электромагнитные волны различных частот. Такой спектр называется сплошным.

Оптические спектры подразделяются на спектры испускания и спектры поглощения. Спектры испускания света получаются при разложении излученных веществом электромагнитных волн по длинам волн. Спектры поглощения наблюдаются при прохождении света через вещество с последующим разложением по длинам волн.

Если пропустить через призму свет, который излучается нагретым газом, то спектр будет иметь вид отдельных цветных линий на черном фоне. Такой спектр называется линейчатым спектром испускания. Это означает, что нагретый газ излучает электромагнитные волны с определенным набором частот. При этом каждый химический элемент испускает характерный спектр, отличный от спектров других элементов.

Если свет проходит через газ, то появляются темные линии - линейчатый спектр поглощения [4, с. 319].

Почему спектры называются именно так, объясняет их форма: когда специальные устройства «ловят» исходящие фотоны света, на регистрирующем приборе фиксируется ряд линий. Чтобы разделить фотоны разной длины волны, используется явление дифракции: волны с различной частотой имеют разный показатель преломления, следовательно, одни отклоняются сильнее, чем другие.

Линейчатый спектр атома формируется в несколько этапов.

Электрон в атоме переходит с орбитали 2 (с более высокой энергией) на орбиталь 1 (с менее низкой энергией).

Высвобождается некоторое количество энергии, которое формируется как квант света (hν).

Этот квант излучается в окружающее пространство.

Линейчатые спектры поглощения и испускания уникальны для каждого вида атомов вещества. То есть водород при испускании даст один набор линий, а золото - другой. Этот факт и является основой для применения спектрометрии. Получив спектр чего угодно, можно понять, из чего состоит вещество, как в нем располагаются атомы относительно друг друга.

Поглощение и испускание света атомами - один из самых распространенных инструментов для изучения окружающего мира. Этот метод позволяет определить и различные свойства материалов, что часто использует химия и физика [14, с. 182].

С помощью особых методик рассмотрения и распознавания ширины и интенсивности получившихся линий можно установить количество входящих в соединение атомов. Причем показатель этот можно выражать в разных единицах: в процентах (например, в этом сплаве содержится 1% алюминия); в молях (в этой жидкости растворено 3 моля поваренной соли); в граммах (в данном образце присутствуют 0,2 г урана и 0,4 грамма тория).

Иногда анализ бывает смешанным: качественным и количественным одновременно. Но если раньше физики заучивали наизусть положение линий и оценивали их оттенок с помощью особых таблиц, то сейчас все это делают программы.

Спектральный анализ применяется очень широко. Нет ни одной области человеческой деятельности, где бы ни использовалось рассматриваемое нами явление. Вот некоторые из них:

Медицина используется спектральный анализ в своих целях чаще всего по отношению к жидкостям тела, но бывает, что этот метод применяется и к тканям.

1. ГОСТ 8.654-2016 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Фотометрия. Термины и определения
2. ГОСТ Р 57941-2017 Композиты полимерные. Инфракрасная спектроскопия. Качественный анализ
3. Александров, Е.Б. Лазерная магнитная спектроскопия / Е.Б. Александров, В.С. Запасский. - М.: Наука, 2020. - 279 c.
4. Глаубер, Р. Оптическая когерентность и статистика фотонов / Р. Глаубер. - М.: [не указано], 2009. - 833 c.
5. Дробышев А.И., Основы атомного спектрального анализа, М., 1997.
6. Зайдель А.Н., Основы спектрального анализа, М., 1965.
7. Короткова Е.И. Физико-химические методы исследования и анализа: учебное пособие / Е.И. Короткова, Т.М. Гиндуллина, Н.М. Дубова, О.А. Воронова; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 168 с.
8. Кузяков Ю.Я., Семененко К.А., Зо-ров Н.Б., Методы спектрального анализа, М., 1990.
9. Мазо Г.Н. Методы атомного спектрального анализа. Москва: Издательство Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, 2000. 4 с.
10. Методы спектрального анализа. Учебник / А.А. Бабушкин и др. - М.: Издательство МГУ, 2002. - 512 c.
11. Перина, Я. Квантовая статистика линейных и нелинейных оптических явлений / Я. Перина. - М.: [не указано], 2011. - 519 c.
12. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Основы теоретической атмосферной оптики. – СПб., 2007.
13. Иванов М.С. Методы спектрального анализа // Наука, техника и образование. 2019. №8 (61).
14. Трахтман, А. М. Введение в обобщенную спектральную теорию сигналов / А.М. Трахтман. - М.: Советское радио, 2017. - 352 c.
15. Чулановский, В. М. Введение в молекулярный спектральный анализ / В.М. Чулановский. - М.: Гостехиздат, 2014. - 368 c.