Дисперсионные спектры излучения и поглощения

 

Различают три основных типа спектров излучения: сплошные, линейчатые и полосатые.

В сплошном спектре представлены все цвета (длины волн), причём переход от одного цвета к другому совершается постепенно (непрерывно). Сплошные спектры излучаются совокупностями многих взаимодействующих между собой атомов и молекул. Основную роль в излучении играет хаотическое движение этих частиц (колебательное и вращательное), обусловленное высокой температурой. Сплошной спектр дают раскалённые твёрдые и жидкие вещества и сжатые газы.

Линейчатый спектр состоит из ряда резко очерченных цветных линий, отделённых друг от друга широкими тёмными промежутками. Каждой линии соответствует определённая длина волны света (или очень узкий интервал длин волн). Линейчатые спектры излучаются отдельными (не взаимодействующими друг с другом) возбужденными атомами. Излучение обусловлено переходами электронов на более близкие к ядру орбиты. Линейчатые спектры характерны для разреженных газов, атомы и молекулы которых возбуждены, например, нагреванием или электрическим разрядом. Линейчатые спектры дают одноатомные газы (инертные газы, пары металлов).

Полосатый спектр состоит из отдельных цветных полос, разделенных тёмными промежутками. Полосатые спектры излучаются отдельными возбуждёнными молекулами. Излучение вызвано как электронными переходами в атомах, так и колебательными движениями самих атомов в молекуле. Полосатые дают газы, состоящие из многоатомных молекул (кислород, углекислый газ, водяной пар и т. д.).

Спектр поглощения данного вещества можно получить, если свет источника, дающего сплошной спектр (например, дуга или лампа накаливания), пропустить через слой этого поглощающего вещества. Тогда на фоне сплошного спектра можно видеть темные полосы или узкие линии поглощения. Твердые тела и жидкости дают спектры с широкими полосами поглощения. Спектр поглощения многоатомных газов представляет ряд узких и широких черных полос на фоне сплошного спектра, а одноатомные газы (пары металлов) характеризуются резкими линиями поглощения, которые соответствуют тем длинам волн, которые сам этот газ излучает в состоянии свечения. Например, спектр излучения одноатомного пара натрия состоит из двух желтых линий 589,6 нм и 589,0 нм. Если же получить спектр поглощения, то на фоне сплошного спектра можно наблюдать две узкие черные линии точно соответствующие указанным длинам волн.

Каждый химический элемент имеет свой, характерный только для него спектр излучения. Поэтому, если в исследуемом спектре обнаруживаются линии какого-нибудь элемента – это значит, что атомы этого элемента содержатся в газообразном источнике света, дающем этот спектр – так производится спектральный анализ вещества. На измерениях поглощения в различных областях спектра основан абсорбционный спектральный анализ. Идентификация веществ в этом методе основана на том, что спектр поглощения отображает индивидуальные и характерные свойства атомов и молекул данного вещества. Поэтому по спектру можно надежно установить как молекулярный состав, так и количественное содержание отдельных компонентов в смесях.

 

Светофильтры

 

Светофильтры часто используются для выделения желаемой области спектра. Широко применяются для получения приблизительно монохроматического излучения при фотохимических и фотобиологических исследованиях и для уменьшения влияния рассеянного света или поглощения нежелаемой длины волны в диспергирующих системах. Наиболее распространены фильтры с избирательным поглощением.

Избирательно-поглощающие светофильтры бывают твердые, жидкостные и газовые. Наиболее удобными из них являются твердые. В качестве светофильтров для видимой области спектра могут быть использованы многие сорта окрашенных стекол, обладающих избирательным поглощением. Несколько в меньшей степени такие стекла пригодны для выделения определенных спектральных участков в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областях спектра. Твердые фильтры могут быть изготовлены также растворением поглощающих веществ в желатине или адсорбцией на целлофане. Желатин или целлофан часто помещают между защитными стеклянными пластинками.

 

Цель работы: изучить спектры поглощения.

 

Описание прибора

Для изучения спектров пользуются спектроскопом.

Двухтрубный спектроскоп призменного типа состоит из трех узлов (рис. 6): коллиматора А со щелевым устройством S, призмы Б и зрительной трубы В. В фокальной плоскости объектива О₁ находится узкая щель S, длина которой перпендикулярна плоскости рисунка. Щель освещается исследуемыми лучами. Выходящие из объектива параллельные лучи проходят через призму. Из призмы лучи различных цветов выходят под разными углами, вследствие различия длин волн: красные отклоняются на меньший угол, фиолетовые имеют наибольшее отклонение. Все лучи других цветов проходят в промежутке между крайними цветами. Объектив О2 собирает выходящие из призмы параллельные между собой лучи в одну точку фокальной плоскости. В этой плоскости лучи одного цвета дают изображение узкой щели S. Геометрическое место всех изображений, даваемых различными лучами, входящих в состав исследуемого пучка, называется дисперсионным (призматическим) спектром данного излучения. Для увеличения спектра применяют окуляр О₃ – лупу.

 

Рис. 6

Внешний вид спектроскопа изображен на рис. 7. На треножной устойчивой подставке 1 закрепляется стойка 2. На столике 3 располагаются коллиматорная труба 4, подвижной кронштейн 5, призма в оправе 6, винтовой микрометр 9. Подвижной кронштейн служит для укрепления на нем зрительной трубы 8. Призма, которая предназначена для разложения света в спектр, покрыта колпачком (не показан на рис. 7). Микрометр 9 состоит из винта с шагом 1 мм и барабанчика, на котором нанесена шкала с 50 делениями. Цена деления шкалы на барабанчике микрометра – 0,02 мм.

 

Рис. 7

Для получения спектра излучения служит ртутно-кварцевая лампа типа СВД-120А, которая является мощным источником излучения. Внутри лампы находится определенное количество ртути. Лампа наполнена аргоном. При дуговом разряде в парах ртути между концами токоведущих электродов лампа дает излучение. Зажигание лампы происходит автоматически в течение 1-2 минут после ее включения. В первый момент после зажигания лампы в атмосфере аргона возникает дуга. После нескольких минут горения дуги ртуть в лампе испаряется и в дальнейшем разряд происходит в атмосфере паров ртути при давлении 10-15 атмосфер. Источником излучения являются одноатомные пары ртути; получится линейчатый спектр.

ВНИМАНИЕ! С ртутно-кварцевой лампой работать в защитных очках.

 

 

Производство работы

 

Задание №1. Произвести градуировку призменного спектроскопа.

Для того, чтобы проградуировать спектроскоп необходимо знать длины волн в спектре ртути (длины волн ртутного спектра указаны в таблице 1) и их положение в спектре.

1. Щель коллиматора установить против выреза в кожухе ртутной лампы.

2. Переключатель трансформатора Т поставить в положение «вкл».

3. При помощи переключателя К1 на ртутную лампу подать высокое напряжение от трансформатора Т. Через 1-2 минуты лампа готова к работе.

4. Вращая винт 9 (рис. 7) спектроскопа, просмотреть весь спектр паров ртути и составить таблицу 1, где к – число делений винтового микрометра, соответствующее каждой спектральной линии.

ВНИМАНИЕ! По окончании работы выключить ртутно-кварцевую лампу. Долго держать включенной лампу нельзя.

 

Таблица 1

Линии спектра	λ, длина волны (нм)	к, отсчет по шкале винтового микрометра (дел. шк.)
Красная	690
Желтая	579
Зеленая	546
Голубая	492
Синяя	436
Фиолетовая	405

 

Задание №2. Изучить спектры поглощения различных светофильтров.

Для выполнения этого задания Вам выдан набор светофильтров.

1. Осветитель включить в сеть. Щель коллиматора спектроскопа установить против осветителя. Вращая микрометрический винт просмотреть сплошной спектр, который дает лампа накаливания.

2. В держатель на осветителе поместить один из выданных вам светофильтров. Посмотрев в зрительную трубу спектроскопа, увидите в спектре темные полосы поглощения.

3. С помощью шкалы винтового микрометра определить ширину цветных полос и полос поглощения в спектре (в интервале от 4 до 8 мм), фиксируя начало и конец полос пропускания и поглощения, при этом конец одной полосы является началом другой.

Цветным полосам соответствует коэффициент поглощения α = 0, а темным полосам – коэффициент поглощения α = 1. Все данные записать в таблицу 2 (столбцы 1, 2, 3).

4. Действия, описанные выше в п. п. 2 и 3, проделать и с другим светофильтром, записывая данные в таблицу 2.

Таблица 2

№№ свето- фильт- ра	Характеристика светофильтра
	α = 0	α = 1	Интервал длин волн λ (нм)
	Ширина цветной полосы, к (дел. шк.)	Ширина полосы поглощения, к (дел. шк.)	пропускаемых (α = 0)	поглощаемых (α = 1)
1	2	3	4	5