1. Непрерывный и линейчатый спектры. Спектр испускания и поглощения. Спектральный анализ и его применение.

Спектральный анализ, непрерывный и линейчатый спектры. У нас уже была возможность говорить о том, что белый свет пройдя через призму, преломляется и у нас возникает разделение белого света на множество цветных линий или спектр. Для точного исследования спектров такие приспособления, как узкая щель и призма уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, то есть, приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра.

Такие приборы, носят название спектральных аппаратов. Чаще всего, в таких аппаратах вместо призмы используют дифракционную решетку. Спектральный состав излучения от различных веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это разнообразие, все спектры можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга.

Первым рассмотрим непрерывные спектры. Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены все длины волн. В спектре нет разрывов. И на экране спектрографа можно увидеть сплошную разноцветную полоску. Распределение энергии по частотам, то есть, спектральная плотность интенсивности излучения для различных тел, различна.

Например, тело с черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности, от частоты имеет максимум при определенной частоте нью максимальная. Энергия излучения, приходящаяся на очень малые и очень большие частоты, ничтожно мала. При повышении температуры, максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн или больших частот. Непрерывные и сплошные спектры как показывает опыт, дают тела находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также плотные газы.

Второй тип спектров, линейчатые. Если внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста смоченного раствором обыкновенной поваренной соли, то при наблюдении пламени в спектроскопе, на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул, поваренной соли в пламени. Для разных веществ частота, определяемая максимумом плотности, будет находиться в разных местах. И на графике зависимости спектральной плотности от частоты мы будем иметь ярко выраженные максимумы, соответствующие тому или иному элементу. Такие спектры, называются линейчатыми.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном, (но не в молекулярном состоянии). Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн или строго определенные частоты.

И третий тип спектров это полосатые. Полосатый спектр состоит из отдельных полос разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата 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. При наблюдении молекулярных спектров, также как и для наблюдения линейчатых спектров обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их характер прямо связан со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг изучению строения атома.

Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн или частоты линейчатого спектра, какого нибудь вещества зависят только от свойств атомов этого вещества. Но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. На этом основан спектральный анализ, метод определения химического состава вещества по его спектру.

С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10 минус десятой степени грамм. Это очень чувствительный метод. Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как, яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при не очень высоких температурах многие спектральные линии вообще не проявляются. Однако, при соблюдении стандартных условий возбуждение свечения можно проводить и количественный спектральный анализ.

Все, что мы говорили относилось к спектральному анализу по спектрам испускания. Но существует также спектральный анализ по спектрам поглощения. Именно линии поглощения, в спектре солнца и звезд, позволяют исследовать химический состав этих небесных тел.

В астрофизике, под спектральным анализом понимают не только определение химического состава звезд, газовых облаков и т.д., но и, нахождение по спектрам, многих других физических характеристик этих объектов - температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции и т.д.

Спектр испускания.

Спектр испускания - распределение по частотам или длинам волн интенсивности электромагнитного излучения некоторого тела.

Спектр поглощения — зависимость интенсивности поглощённого веществом излучения (как электромагнитного, так и акустического) от частоты. Он связан с энергетическими переходами в веществе. Спектр поглощения характеризуется так называемым коэффициентом поглощения который зависит от частоты и определяется как обратная величина к расстоянию, на котором интенсивность прошедшего потока излучения снижается в e раз. Для различных материалов коэффициент поглощения и его зависимость от длины волны различны.

Исторически первые наблюдения линейчатых оптических спектров поглощения в спектре Солнца проделал в 1802 году Волластон, но не придал открытию значения, поэтому эти линии были названы «фраунгоферовыми» в честь другого учёного Фраунгофера, который детально изучил их в 1814—1815 гг.

Измерения спектров поглощения могут проводиться как с источником белого света так и с источниками монохроматического излучения.

Для почти свободных атомов и молекул в разрежённых газах оптический спектр поглощения состоит из отдельных спектральных линий и называется линейчатым.

Разным веществам соответствуют разные спектры поглощения, что позволяет использовать спектроскопические методы для определения состава вещества. Для твёрдых веществ спектры поглощения непрерывны, но встречаются и отдельные линии.

Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральный анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.

Применение

В последнее время, наибольшее распространение получили эмиссионные и масс-спектрометрические методы спектрального анализа, основанные на возбуждении атомов и их ионизации в аргоновой плазме индукционных разрядов, а также в лазерной искре. Спектральный анализ — чувствительный метод и широко применяется в аналитической химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геологической разведке и других отраслях науки.

В теории обработки сигналов, спектральный анализ также означает анализ распределения энергии сигнала (например, звукового) по частотам, волновым числам и т. п.