Реферат: Спектры. Спектральный анализ и его применение. Спектральный анализ реферат

Спектры. Спектральный анализ и его применение

Министерство образования и наукиРеспублики Казахстан

Карагандинский Государственный Университетимени Е.А. Букетова

Физический факультет

Кафедра оптики и спектроскопии

Курсовая работа

на тему:

Спектры. Спектральный анализ и его применение.

Подготовил:

студент группы ФТРФ-22

Ахтариев Дмитрий.

Проверил:

преподаватель

Кусенова Асия Сабиргалиевна

Караганды 2003г.План

Введение

1. Энергия в спектре

2. Виды спектров

3. Спектральный анализ и его применение

4. Спектральные аппараты

5. Спектр электромагнитных излучений

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Исследование линейчатого спектра вещества позволяет определить, из каких химических элементов оно состоит и в каком количестве содержится каждый элемент в данном веществе.

Количественное содержание элемента в исследуемом образце определяется путем сравнения интенсивности отдельных линий спектра этого элемента с интенсивностью линий другого химического элемента, количественное содержание которого в образце известно.

Метод определения качественного и количественного состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. Спектральный анализ широко применяется при поисках полезных ископаемых для определения химического состава образцов руды. В промышленности спектральный анализ позволяет контролировать составы сплавов и примесей, вводимых в металлы для получения материалов с задаными свойствами.

Достоинствами спектрального анализа являются высокая чувствительность и быстрота получения результатов. С помощью спектрального анализа можно обнаружить в пробе массой 6*10-7 г присутствие золота при его массе всего 10-8 г. Определение марки стали методом спектрального анализа может быть выполнено за несколько десятков секунд.

Спектральный анализ позволяет определить химический состав небесных тел, удаленных от Земли на расстояния в миллиарды световых лет. Химический состав атмосфер планет и звезд, холодного газа в межзвездном пространстве определяется по спектрам поглощения.

Изучая спектры, ученые смогли определить не только химический состав небесных тел, но и их температуру. По смещению спектральных линий можно определять скорость движения небесного тела.

Энергия в спектре.

Источник света должен потреблять энергию. Свет - это электромагнитные волны с длиной волны 4*10-7 - 8*10-7 м. Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов. Но, не зная, как устроен атом, ничего достоверного о механизме излучения сказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света так же, как в струне рояля нет звука. Подобно струне, начинающей звучать лишь после удара молоточка, атомы рождают свет только после их возбуждения.

Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Тепловое излучение. Наиболее простой и распространенный вид излучения - тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов или (молекул) излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы. При столкновении быстрых атомов (молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет.

Тепловым источником излучения является Солнце, а также обычная лампа накаливания. Лампа очень удобный, но малоэкономичный источник. Лишь примерно 12% всей энергии, выделяемой в лампе электрическим током, преобразуется в энергию света. Тепловым источником света является пламя. Крупинки сажи раскаляются за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, и испускают свет.

Электролюминесценция. Энергия, необходимая атомам для излучения света, может заимствоваться и из нетепловых источников. При разряде в газах электрическое поле сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроны испытывают соударения с атомами. Часть кинетической энергии электронов идет на возбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн. Благодаря этому разряд в газе сопровождается свечением. Это и есть электролюминесценция.

Катодолюминесценция. Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами, называют катодолюминисенцией. Благодаря катодолюминесценции светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.

Хемилюминесценция. При некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на излучение света. Источник света остается холодным (он имеет температуру окружающей среды). Это явление называется хемиолюминесценкией.

Фотолюминесценция. Падающий на вещество свет частично отражается, а частично поглощается. Энергия поглощаемого света в большинстве случаев вызывает лишь нагревание тел. Однако некоторые тела сами начинают светиться непосредственно под действием падающего на него излучения. Это и

www.studsell.com

Реферат - Спектры. Спектральный анализ и его применение

<img src="/cache/referats/14744/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1026">Министерство образования инауки Республики Казахстан

КарагандинскийГосударственный Университет имени Е.А. Букетова

Физический факультет

Кафедра оптики и спектроскопии

Курсовая работа

на тему:

Спектры. Спектральный анализ и его применение.

Подготовил:

студент группыФТРФ-22

Ахтариев Дмитрий.

Проверил:

преподаватель

Кусенова АсияСабиргалиевна

Караганды – 2003г. План

Введение

1. Энергия в спектре

2. Виды спектров

3. Спектральный анализ и его применение

4. Спектральные аппараты

5. Спектр электромагнитных излучений

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Исследование линейчатого спектра вещества позволяетопределить, из каких химических элементов оно состоит и в каком количествесодержится каждый элемент в данном веществе.

Количественное содержание элемента в исследуемом образцеопределяется путем сравнения интенсивности отдельных линий спектра этогоэлемента с интенсивностью линий другого химического элемента, количественноесодержание которого в образце известно.

Метод определения качественного и количественногосостава вещества по его спектру называется спектральным анализом. Спектральныйанализ широко применяется при поисках полезных ископаемых для определенияхимического состава образцов руды. В промышленности спектральный анализпозволяет контролировать составы сплавов и примесей, вводимых в металлы дляполучения материалов с задаными свойствами.

Достоинствами спектрального анализа являются высокаячувствительность и быстрота получения результатов. С помощью спектральногоанализа можно обнаружить в пробе массой 6*10-7 г присутствие золотапри его массе всего 10-8 г. Определение марки стали методомспектрального анализа может быть выполнено за несколько десятков секунд.

Спектральный анализ позволяет определить химическийсостав небесных тел, удаленных от Земли на расстояния в миллиарды световых лет.Химический состав атмосфер планет и звезд, холодного газа в межзвездномпространстве определяется по спектрам поглощения.

Изучая спектры, ученые смогли определить не толькохимический состав небесных тел, но и их температуру. По смещению спектральныхлиний можно определять скорость движения небесного тела.

 Энергия в спектре.

Источник света долженпотреблять  энергию. Свет — этоэлектромагнитные  волны с длиной волны4*10-7 — 8*10-7 м. Электромагнитные  волны излучаются при ускоренном  движении заряженных частиц. Эти заряженныечастицы входят в состав атомов. Но, не зная, как устроен атом, ничегодостоверного о механизме  излучениясказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света так же, как в струнерояля нет звука. Подобно струне, начинающей звучать лишь после удара молоточка, атомы рождают свет только после ихвозбуждения.

Для того чтобы атом начализлучать,  ему необходимо передатьэнергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечениявещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Тепловое излучение. Наиболее простой и распространенный вид излучения — тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение светакомпенсируются за счет энергии теплового движения атомов или (молекул)излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы. Пристолкновении быстрых атомов (молекул) друг с другом часть их кинетическойэнергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет.

Тепловым источникомизлучения является Солнце, а также обычная лампа накаливания. Лампа оченьудобный, но малоэкономичный источник. Лишь примерно 12% всей энергии, выделяемой в лампе электрическим током, преобразуется в энергию света.Тепловым  источником света являетсяпламя.  Крупинки сажи раскаляются  за счет энергии, выделяющейся  при сгорании топлива, и испускают свет.

Электролюминесценция. Энергия, необходимая атомам для излучения света,может заимствоваться и из нетепловых источников. При разряде в газахэлектрическое поле сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрыеэлектроны испытывают  соударения сатомами.  Часть кинетической энергииэлектронов идет на возбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают энергию в видесветовых волн.  Благодаря этому разряд вгазе сопровождается свечением. Это и есть электролюминесценция. 

Катодолюминесценция. Свечениетвердых тел, вызванное бомбардировкой  ихэлектронами, называют катодолюминисенцией. Благодаря катодолюминесценции светятся экраны  электронно-лучевых трубок телевизоров.

Хемилюминесценция. Принекоторых  химических реакциях, идущих свыделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется  на излучение света. Источник света  остается холодным (он имеет температуруокружающей среды). Это явление называется хемиолюминесценкией. 

Фотолюминесценция. Падающий на вещество свет частично отражается,  а частично поглощается. Энергия поглощаемогосвета в большинстве случаев вызывает лишь нагревание тел. Однако некоторые теласами начинают светиться непосредственно под действием падающего  на негоизлучения. Это и есть фотолюминесценция. Свет возбуждает  атомы вещества (увеличивает  их внутреннюю энергию), после этого онивысвечиваются сами. Например, светящиеся краски, которыми покрывают многиеелочные игрушки, излучают свет после их облучения.

Излучаемый прифотолюминесценции  свет имеет, какправило, большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение. Это можнонаблюдать экспериментально. Если направить на сосуд с флюоресцеитом(органический краситель) световой  пучок,пропущенный через фиолетовый светофильтр, то эта жидкость начинает светитьсязелено — желтым  светом, т. е. светомбольшей  длины волны, чем уфиолетового  света.

Явление фотолюминесценциишироко  используется в лампахдневного  света. Советский физик С. И.Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность разрядной  трубки веществами, способными  ярко светиться под действием коротковолновогоизлучения газового  разряда. Лампы дневногосвета примерно в три-четыре раза экономичнее обычных ламп накаливания.

Перечислены основные видыизлучений  и источники, их создающие.Самые распространенные источники излучения — тепловые.

Распределение энергии в спектре. Ни один из источников не даетмонохроматического света, т. е. света строго определенной длины волны. В этом нас убеждают опыты по разложению света в спектр с помощью  призмы, а также опыты по интерференции идифракции.

Та энергия, которую несет ссобой свет от источника, определенным образом распределена по волнам всех длин, входящим в состав световогопучка. Можно также  сказать, что энергияраспределена  по частотам, так как междудлиной волны и частотой существует простая связь: <span Times New Roman""><span Times New Roman"">ђ

Плотность потокаэлектромагнитного  излучения, илиинтенсивность /, определяется  энергией&W, приходящейся  на все частоты. Дляхарактеристики  распределения излученияпо частотам нужно ввести новую величину: интенсивность, приходящуюся  на единичный интервал частот.  Эту величину называют спектральной  плотностью интенсивности излучения. 

Спектральную плотностьпотока излучения можно найти экспериментально. Для этого надо с помощью  призмыполучить спектр излучения,  например,электрической дуги, и измерить плотность потока излучения, приходящегося нанебольшие  спектральные интервалы ширинойAv.

Полагаться на глаз приоценке распределения  энергии нельзя.Глаз обладает  избирательнойчувствительностью  к свету: максимум егочувствительности  лежит в желто-зеленойобласти спектра. Лучше всего воспользоваться свойством черного тела почтиполностью поглощать  свет всех длин волн.При этом энергия излучения (т. е. света) вызывает нагревание тела. Поэтомудостаточно измерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощенной вединицу времени энергии.

Обычный термометр имеетслишком  малую чувствительность для того,чтобы его можно было с успехом использовать в таких опытах. Нужны более чувствительные приборы  для измерения температуры. Можно взятьэлектрический термометр, в котором  чувствительныйэлемент выполнен  в виде тонкойметаллической  пластины. Эту пластинунадо покрыть тонким слоем сажи, почти полностью поглощающей свет любой  длины волны.

Чувствительную к нагреваниюпластину прибора следует поместить в то или иное место спектра. Всему видимомуспектру длиной l от красных лучей до фиолетовых  соответствует интервал частот  от vкрдо уф. Ширине соответствует малый интервал Av. По нагреванию черной пластиныприбора можно судить о плотности потока излучения,  приходящегося на интервал частот Av. Перемещая пластину вдоль спектра, мы обнаружим, чтобольшая часть энергии приходится на красную часть спектра, а не нажелто-зеленую, как кажется на глаз.

По результатам этих опытовможно  построить кривую зависимостиспектральной плотности интенсивности излучения от частоты. Спектральная плотность интенсивности излучения определяется по температуре пластины,а частоту нетрудно  найти, еслииспользуемый для разложения света прибор проградуирован, т. е. если известно,какой частоте соответствует данный участок спектра.

Откладывая по оси абсциссзначения  частот, соответствующихсерединам  интервалов Av,а по оси ординат спектральную плотность интенсивности  излучения, мы получим ряд точек, черезкоторые можно провести плавную кривую. Эта кривая дает наглядноепредставление  о распределении энергии ивидимой части спектра электрической дуги.

Виды спектров.

Спектральный составизлучения различных веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, всеспектры, как показывает опыт, можно разделить на три сильно отличающихся другот друга типа.

Непрерывные спектры.

Солнечный  спектр или спектр дугового фонаря являетсянепрерывным. Это означает, что в спектре представлены  волны всех длин. В спектре нет разрывов, и наэкране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную  полосу.

Распределение энергии почастотам,  т. е. Спектральнаяплотность  интенсивности излучения, дляразличных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучаетэлектромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральнойплотности интенсивности  излучения отчастоты имеет максимум мри определенной частоте. Энергия излучения,  приходящаяся на очень малые и очень большиечастоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается всторону коротких волн.

Непрерывные (или сплошные)спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидкомсостоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного  спектра нужно нагреть тело до высокойтемпературы.

Характер непрерывногоспектра и сам факт его существования определяются не только свойствамиотдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействияатомов друг с другом.

Непрерывный спектр даеттакже  высокотемпературная плазма.Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые спектры.

Внесем в бледное пламягазовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной повареннойсоли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимогонепрерывного спектра пламени вспыхнет ярко желтая линия. Эту желтую линию даютпары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли впламени. На спектроскопе также можно увидеть частокол цветных линий различнойяркости, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектраозначает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн(точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линийимеет конечную ширину.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучаютатомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самыйфундаментальный, основной тип спектров.

Изолированные атомы данного химического элемента излучают строгоопределенные длины волн.

Обычно для наблюдениялинейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечениегазового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.

Приувеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяютсяи, наконец при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомовстановится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывныйспектр. 

Полосатые спектры.

Полосатый спектр состоит изотдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полосапредставляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий.В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, амолекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатыхспектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газовогоразряда.

Спектры поглощения.

Все вещества, атомы которыхнаходятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которыхопределенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществомтакже зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны,соответствующие красному свету (<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">l

Если пропускать белый светсквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источникапоявляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз техдлин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии нафоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупностиспектр поглощения.

 Существуют непрерывные, линейчатые  и полосатые спектры излучения  и столько же видов спектров  поглощения.

Важно знать, из чего состоятокружающие нас тела. Изобретено много способов определения их состава. Носостав звезд и галактик можно узнать только с помощью спектрального анализа.

Спектральный анализ и его применение

Линейчатые спектры играютособо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома.Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий.Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг кизучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность«заглянуть» внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается сатомной физикой.

Главное свойство линейчатыхспектров состоит в том, что длины волн(или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только отсвойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждениясвечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожийна спектры всех других элементов: они способны излучать строго-определенныйнабор длин волн.

На этом основан спектральный анализ — методопределения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткампальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность.Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точнотак же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определитьхимический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложноговещества если даже его масса не превышает 10-10. Это оченьчувствительный метод.

Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так какяркость спектральных линий зависит не только от массывещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при низких температурахмногие спектральные линии вообще не появляются. Однакопри соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить иколичественный спектральный анализ.

В настоящее время определеныспектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектральногоанализа были открыты многие новые элементы: рубидий,цезий и др. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболееинтенсивных линий спектра. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Словоцезий означает «небесно-голубой». Это цвет основных линий спектра цезия.

Именно с помощью спектрального анализа узнали химическийсостав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесьвообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химическихэлементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначальнооткрыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элементанапоминает об истории его открытия: слово гелийозначает в переводе «солнечный».

Благодаря сравнительнойпростоте и универсальности спектральный анализявляется основным методом контроля состава вещества в металлургии,машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектральногоанализа определяют химический состав руд и минералов.

Состав сложных, главнымобразом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам.

Спектральныйанализможно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрампоглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяютисследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверхностьСолнца — фотосфера — дает непрерывный спектр. Солнечная атмосфера поглощаетизбирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения нафоне непрерывного спектра фотосферы.

Но и сама атмосфера Солнцаизлучает свет. Во время солнечных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной,происходит обращение линий спектра. На месте линий поглощения в солнечномспектре вспыхивают линии излучения.

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

Кроме астрофизикиспектральный анализ широко применяют в криминалистике, для расследования улик,найденных на месте преступления. Также спектральный анализ в криминалистикехорошо помогает определять орудие убийства и вообще раскрывать некоторыечастности преступления.

Еще шире спектральный анализиспользуют в медицине. Здесь его применение весьма велико. Его можноиспользовать для диагностирования, а также для того, чтобы определять инородныевещества в организме человека.

Спектральный анализпрогрессирует не только науку, но и общественную сферу человеческойдеятельности.

Для спектрального анализанеобходимы специальные спектральные приборы, которые мы и рассмотрим дальше.

Для точного исследованияспектров такие  простые приспособления,как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие  четкийспектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной  длины и не допускающие перекрытия отдельныхучастков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всегоосновной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка. 

Рассмотрим схему устройствапризменного спектрального аппарата. Исследуемое излучение  поступает вначале в часть прибора, называемуюколлиматором. Коллиматор представляет собой трубу,  на одном конце которой имеется ширма с узкойщелью, а на другом -  собирающая линза.Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световойпучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным  пучком и падает на призму. 

Так как разным частотамсоответствуют  различные показателипреломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие  по направлению. Они падают на линзу. Нафокусном расстоянии  этой линзырасполагается экран — матовое стекло или фотопластинка.  Линза фокусирует параллельные пучки лучей наэкране,  и вместо одного изображения щелиполучается целый ряд изображений.  Каждойчастоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Всеэти изображения вместе и образуют спектр.

Описанный прибор называетсяспектрографом. Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная  труба для визуального наблюдения спектров, топрибор называется  спектроскопом. Призмыи другие детали спектральных аппаратов необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются  и такие прозрачные материалы,  как кварц, каменная соль и др.

Вы познакомились с новойвеличиной -  спектральной плотностьюинтенсивности излучения. Узнали, что находится внутри кожуха спектрального  аппарата.

Спектральный составизлучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, какпоказывает опыт, можно разделить на три типа.

Общим для всехэлектромагнитных излучений являются механизмы их возникновения:электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренномдвижении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомныхядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебанияэлектрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющимчастоту, равную частоте колебаний зарядов.

Радиоволны. При колебаниях, происходящих с частотами от 105 до 1012Гц, возникают электромагнитные излучения, длины волн которых лежат в интервалеот нескольких километров до нескольких миллиметров. Этот участок шкалыэлектромагнитных излучений относится к диапазону радиоволн. Радиоволныприменяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации.

Инфракрасное излучение. Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей1-2 мм, но большей 8*10-7 м, т.е. лежащие между диапазоном радиоволни диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением.

Область спектра за краснымего краем впервые экспериментально была исследована в 1800г. английскимастрономом Вильямом Гершелем (1738 – 1822 гг.). Гершель поместил термометр сзачерненным шариком за красный край спектра и обнаружил повышение температуры.Шарик термометра нагревался излучением, невидимым глазом. Это излучение назвалиинфракрасными лучами.

Инфракрасное излучениеиспускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи,батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания.

С помощью специальныхприборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получатьизображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучениеприменяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.

Значение этого участкаспектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, таккак почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Свет является обязательнымусловием развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием длясуществования жизни на Земле.

Ультрафиолетовое излучение. В 1801 году немецкий физик ИоганнРиттер (1776 – 1810), исследуя спектр, открыл, что заего фиолетовым краем имеется область, создаваемая невидимыми глазом лучами. Этилучи воздействуют на некоторые химические соединения. Под действием этихневидимых лучей происходит разложения хлорида серебра, свечение кристалловсульфида цинка и некоторых других кристаллов.

Невидимое глазомэлектромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового света,называют ультрафиолетовым излучением. К ультрафиолетовому излучению относятэлектромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 4*10-7 до 1*10-8м.

Ультрафиолетовое излучение способно убиватьболезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют в медицине.Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологическиепроцессы, приводящие к потемнению кожи человека – загару.

В качестве источниковультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубкитаких ламп изготавливают из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей;поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.

Рентгеновские лучи. Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электрон,и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, тоэлектроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резкотормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможениибыстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочкахатомов возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем уультрафиолетового излучения. Это излучение было открыто в 1895 году немецкимфизиком Вильгельмом Рентгеном (1845-1923). Электромагнитные излучения вдиапазоне длин волн от 10-14 до 10-7 м называютсярентгеновскими лучами.

Рентгеновские лучи невидимыглазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слоивещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи поих способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов идействовать на фотопленку.

Способность рентгеновскихлучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностикизаболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучиприменяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов.Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяетсядля лечения некоторых заболеваний.

Гамма-излучение. Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденнымиатомными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Гамма-излучение – самоекоротковолновое электромагнитное излучение (<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">l

В начале XIXв.было обнаружено, что выше (по длине волны) красной части спектра видимого светанаходится невидимый глазом инфракрасныйучасток спектра, а ниже фиолетовой части спектра видимого света находитсяневидимый ультрафиолетовый участокспектра.

Длины волны инфракрасногоизлучения заключены в пределах от

3<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">·

Длины волн ультрафиолетовогоизлучения заключены в пределах от

4<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">·

В науке инфракрасное иультрафиолетовое излучения используются для исследования молекул и атомоввещества. 

На экране за преломляющейпризмой  монохроматические цвета вспектре располагаются в следующем порядке: красный (имеющий наибольшую средиволн видимого света длину волны <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">l

Итак, спектральный анализприменяется почти во всех важнейших сферах человеческой деятельности: вмедицине, в криминалистике, в промышленности и других отраслях, которыесуществуют для блага человечества. Таким образом спектральный анализ являетсяодним из важнейших аспектов развития не только научного прогресса, но и самогоуровня жизни человека.

1. Физический практикум«Электричество и магнетизм» под редакцией профессора В.И. Ивероновой.Издательство «Наука», М.– 1968г.

2. Д.В. Сивухин,«Общий курс физики. Атомная и ядерная физика. Часть 1. Атомная физика».Издательство «Наука», Москва – 1986г.

3. Н.Н. Евграфова,В.Л. Каган «Курс физики для подготовительных отделений вузов». Издательство«Высшая школа», Москва – 1978г.

4. Б.М. Яворский, Ю.А.Селезнев «Справочное руководство по физике дляпоступающих в вузы и самообразования». Издательство «Наука», Москва – 1984г.

5. О.Ф. Кабардин«Физика». Издательство «Просвещение», М. – 1991г.

www.ronl.ru

Реферат - Спектры. Спектральный анализ и его применение

Введение 1. Энергия в спектре 2. Виды спектров 3. Спектральный анализ и его применение 4. Спектральные аппараты 5. Спектр электромагнитных излучений Заключение Список использованной литературы

Введение Исследование линейчатого спектра вещества позволяет определить, из каких химических элементов оно состоит и в каком количестве содержится каждый элемент в данном веществе. Количественное содержание элемента в исследуемом образце определяется путем сравнения интенсивности отдельных линий спектра этого элемента с интенсивностью линий другого химического элемента, количественное содержание которого в образце известно. Метод определения качественного и количественного состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. Спектральный анализ широко применяется при поисках полезных ископаемых для определения химического состава образцов руды. В промышленности спектральный анализ позволяет контролировать составы сплавов и примесей, вводимых в металлы для получения материалов с задаными свойствами. Достоинствами спектрального анализа являются высокая чувствительность и быстрота получения результатов. С помощью спектрального анализа можно обнаружить в пробе массой 6*10-7 г присутствие золота при его массе всего 10-8 г. Определение марки стали методом спектрального анализа может быть выполнено за несколько десятков секунд. Спектральный анализ позволяет определить химический состав небесных тел, удаленных от Земли на расстояния в миллиарды световых лет. Химический состав атмосфер планет и звезд, холодного газа в межзвездном пространстве определяется по спектрам поглощения. Изучая спектры, ученые смогли определить не только химический состав небесных тел, но и их температуру. По смещению спектральных линий можно определять скорость движения небесного тела.

Энергия в спектре. Источник света должен потреблять энергию. Свет - это электромагнитные волны с длиной волны 4*10-7 - 8*10-7 м. Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов. Но, не зная, как устроен атом, ничего достоверного о механизме излучения сказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света так же, как в струне рояля нет звука. Подобно струне, начинающей звучать лишь после удара молоточка, атомы рождают свет только после их возбуждения. Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне. Тепловое излучение. Наиболее простой и распространенный вид излучения - тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов или (молекул) излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы. При столкновении быстрых атомов (молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет. Тепловым источником излучения является Солнце, а также обычная лампа накаливания. Лампа очень удобный, но малоэкономичный источник. Лишь примерно 12% всей энергии, выделяемой в лампе электрическим током, преобразуется в энергию света. Тепловым источником света является пламя. Крупинки сажи раскаляются за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, и испускают свет. Электролюминесценция. Энергия, необходимая атомам для излучения света, может заимствоваться и из нетепловых источников. При разряде в газах электрическое поле сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроны испытывают соударения с атомами. Часть кинетической энергии электронов идет на возбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн. Благодаря этому разряд в газе сопровождается свечением. Это и есть электролюминесценция. Катодолюминесценция. Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами, называют катодолюминисенцией. Благодаря катодолюминесценции светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров. Хемилюминесценция. При некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на излучение света. Источник света остается холодным (он имеет температуру окружающей среды). Это явление называется хемиолюминесценкией. Фотолюминесценция. Падающий на вещество свет частично отражается, а частично поглощается. Энергия поглощаемого света в большинстве случаев вызывает лишь нагревание тел. Однако некоторые тела сами начинают светиться непосредственно под действием падающего на него излучения. Это и есть фотолюминесценция. Свет возбуждает атомы вещества (увеличивает их внутреннюю энергию), после этого они высвечиваются сами. Например, светящиеся краски, которыми покрывают многие елочные игрушки, излучают свет после их облучения. Излучаемый при фотолюминесценции свет имеет, как правило, большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение. Это можно наблюдать экспериментально. Если направить на сосуд с флюоресцеитом (органический краситель) световой пучок, пропущенный через фиолетовый светофильтр, то эта жидкость начинает светиться зелено - желтым светом, т. е. светом большей длины волны, чем у фиолетового света. Явление фотолюминесценции широко используется в лампах дневного света. Советский физик С. И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность разрядной трубки веществами, способными ярко светиться под действием коротковолнового излучения газового разряда. Лампы дневного света примерно в три-четыре раза экономичнее обычных ламп накаливания. Перечислены основные виды излучений и источники, их создающие. Самые распространенные источники излучения - тепловые. Распределение энергии в спектре. Ни один из источников не дает монохроматического света, т. е. света строго определенной длины волны. В этом нас убеждают опыты по разложению света в спектр с помощью призмы, а также опыты по интерференции и дифракции. Та энергия, которую несет с собой свет от источника, определенным образом распределена по волнам всех длин, входящим в состав светового пучка. Можно также сказать, что энергия распределена по частотам, так как между длиной волны и частотой существует простая связь: (v = c. Плотность потока электромагнитного излучения, или интенсивность /, определяется энергией &W, приходящейся на все частоты. Для характеристики распределения излучения по частотам нужно ввести новую величину: интенсивность, приходящуюся на единичный интервал частот. Эту величину называют спектральной плотностью интенсивности излучения. Спектральную плотность потока излучения можно найти экспериментально. Для этого надо с помощью призмы получить спектр излучения, например, электрической дуги, и измерить плотность потока излучения, приходящегося на небольшие спектральные интервалы шириной Av. Полагаться на глаз при оценке распределения энергии нельзя. Глаз обладает избирательной чувствительностью к свету: максимум его чувствительности лежит в желто-зеленой области спектра. Лучше всего воспользоваться свойством черного тела почти полностью поглощать свет всех длин волн. При этом энергия излучения (т. е. света) вызывает нагревание тела. Поэтому достаточно измерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощенной в единицу времени энергии. Обычный термометр имеет слишком малую чувствительность для того, чтобы его можно было с успехом использовать в таких опытах. Нужны более чувствительные приборы для измерения температуры. Можно взять электрический термометр, в котором чувствительный элемент выполнен в виде тонкой металлической пластины. Эту пластину надо покрыть тонким слоем сажи, почти полностью поглощающей свет любой длины волны. Чувствительную к нагреванию пластину прибора следует поместить в то или иное место спектра. Всему видимому спектру длиной l от красных лучей до фиолетовых соответствует интервал частот от vкр до уф. Ширине соответствует малый интервал Av. По нагреванию черной пластины прибора можно судить о плотности потока излучения, приходящегося на интервал частот Av. Перемещая пластину вдоль спектра, мы обнаружим, что большая часть энергии приходится на красную часть спектра, а не на желто-зеленую, как кажется на глаз. По результатам этих опытов можно построить кривую зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты. Спектральная плотность интенсивности излучения определяется по температуре пластины, а частоту нетрудно найти, если используемый для разложения света прибор проградуирован, т. е. если известно, какой частоте соответствует данный участок спектра. Откладывая по оси абсцисс значения частот, соответствующих серединам интервалов Av, а по оси ординат спектральную плотность интенсивности излучения, мы получим ряд точек, через которые можно провести плавную кривую. Эта кривая дает наглядное представление о распределении энергии и видимой части спектра электрической дуги.

Виды спектров. Спектральный состав излучения различных веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.

Непрерывные спектры. Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу. Распределение энергии по частотам, т. е. Спектральная плотность интенсивности излучения, для различных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты имеет максимум мри определенной частоте. Энергия излучения, приходящаяся на очень малые и очень большие частоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн. Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые спектры. Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет ярко желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. На спектроскопе также можно увидеть частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину. Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров. Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн. Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, наконец при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.

Полосатые спектры. 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. Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

Спектры поглощения. Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету (???*??-5 см), и поглощает все остальные. Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения. Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и столько же видов спектров поглощения. Важно знать, из чего состоят окружающие нас тела. Изобретено много способов определения их состава. Но состав звезд и галактик можно узнать только с помощью спектрального анализа.

Спектральный анализ и его применение Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность "заглянуть" внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой. Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго-определенный набор длин волн. На этом основан спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества если даже его масса не превышает 10-10. 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 низких температурах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный спектральный анализ. В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий спектра. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой». Это цвет основных линий спектра цезия. Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об истории его открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный». Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов. Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам. Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверхность Солнца - фотосфера - дает непрерывный спектр. Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы. Но и сама атмосфера Солнца излучает свет. Во время солнечных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной, происходит обращение линий спектра. На месте линий поглощения в солнечном спектре вспыхивают линии излучения. 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. Кроме астрофизики спектральный анализ широко применяют в криминалистике, для расследования улик, найденных на месте преступления. Также спектральный анализ в криминалистике хорошо помогает определять орудие убийства и вообще раскрывать некоторые частности преступления. Еще шире спектральный анализ используют в медицине. Здесь его применение весьма велико. Его можно использовать для диагностирования, а также для того, чтобы определять инородные вещества в организме человека. Спектральный анализ прогрессирует не только науку, но и общественную сферу человеческой деятельности. Для спектрального анализа необходимы специальные спектральные приборы, которые мы и рассмотрим дальше.

Спектральные аппараты Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка. Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата. Исследуемое излучение поступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом - собирающая линза. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на призму. Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии этой линзы располагается экран - матовое стекло или фотопластинка. Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр. Описанный прибор называется спектрографом. Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называется спектроскопом. Призмы и другие детали спектральных аппаратов необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются и такие прозрачные материалы, как кварц, каменная соль и др. Вы познакомились с новой величиной - спектральной плотностью интенсивности излучения. Узнали, что находится внутри кожуха спектрального аппарата. Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа.

Спектр электромагнитных излучений Свойства электромагнитных излучений. Электромагнитные излучения с различными длинами волн имеют довольно много различий, но все они, от радиоволн и до гамма-излучения, одной физической природы. Все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей степени проявляют свойства интерференции, дифракции и поляризации, характерные для волн. Вместе с тем все виды электромагнитного излучения в большей или меньшей мере обнаруживают квантовые свойства. Общим для всех электромагнитных излучений являются механизмы их возникновения: электромагнитные волны с любой длиной волны могут возникать при ускоренном движении электрических зарядов или при переходах молекул, атомов или атомных ядер из одного квантового состояния в другое. Гармонические колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов. Радиоволны. При колебаниях, происходящих с частотами от 105 до 1012 Гц, возникают электромагнитные излучения, длины волн которых лежат в интервале от нескольких километров до нескольких миллиметров. Этот участок шкалы электромагнитных излучений относится к диапазону радиоволн. Радиоволны применяются для радиосвязи, телевидения, радиолокации. Инфракрасное излучение. Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей 1-2 мм, но большей 8*10-7 м, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением. Область спектра за красным его краем впервые экспериментально была исследована в 1800г. английским астрономом Вильямом Гершелем (1738 – 1822 гг.). Гершель поместил термометр с зачерненным шариком за красный край спектра и обнаружил повышение температуры. Шарик термометра нагревался излучением, невидимым глазом. Это излучение назвали инфракрасными лучами. Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины. Видимый свет. К видимому свету (или просто свету) относятся излучения с длиной волны примерно от 8*10-7 до 4*10-7 м, от красного до фиолетового света. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Свет является обязательным условием развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни на Земле. Ультрафиолетовое излучение. В 1801 году немецкий физик Иоганн Риттер (1776 – 1810), исследуя спектр, открыл, что за его фиолетовым краем имеется область, создаваемая невидимыми глазом лучами. Эти лучи воздействуют на некоторые химические соединения. Под действием этих невидимых лучей происходит разложения хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка и некоторых других кристаллов. Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением. К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 4*10-7 до 1*10-8 м. Ультрафиолетовое излучение способно убивать болезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют в медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека – загару. В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются газоразрядные лампы. Трубки таких ламп изготавливают из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами. Рентгеновские лучи. Если в вакуумной трубке между нагретым катодом, испускающим электрон, и анодом приложить постоянное напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то электроны будут сначала разгоняться электрическим полем, а затем резко тормозиться в веществе анода при взаимодействии с его атомами. При торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренних оболочках атомов возникают электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у ультрафиолетового излучения. Это излучение было открыто в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (1845-1923). Электромагнитные излучения в диапазоне длин волн от 10-14 до 10-7 м называются рентгеновскими лучами. Рентгеновские лучи невидимы глазом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку. Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои вещества используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека. В технике рентгеновские лучи применяются для контроля внутренней структуры различных изделий, сварных швов. Рентгеновское излучение обладает сильным биологическим действием и применяется для лечения некоторых заболеваний. Гамма-излучение. Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц. Гамма-излучение – самое коротковолновое электромагнитное излучение (?

Заключение В начале XIX в. было обнаружено, что выше (по длине волны) красной части спектра видимого света находится невидимый глазом инфракрасный участок спектра, а ниже фиолетовой части спектра видимого света находится невидимый ультрафиолетовый участок спектра. Длины волны инфракрасного излучения заключены в пределах от 3*10-4 до 7,6*10-7 м. Наиболее характерным свойством этого излучения является его тепловое действие. Источником инфракрасного является любое тело. Интенсивность этого излучения тем выше, чем больше температура тела. Инфракрасное излучение исследуют с помощью термопар и болометров. На использование инфракрасного излучения основан принцип действия приборов ночного видения. Длины волн ультрафиолетового излучения заключены в пределах от 4*10-7 до 6*10-9 м. Наиболее характерным свойством этого излучения является его химическое и биологическое действие. Ультрафиолетовое излучение вызывает явление фотоэффекта, свечение ряда веществ (флуоресценцию и фосфоресценцию). Оно убивает болезнетворных микробов, вызывает появление загара и т.д. В науке инфракрасное и ультрафиолетовое излучения используются для исследования молекул и атомов вещества. На экране за преломляющей призмой монохроматические цвета в спектре располагаются в следующем порядке: красный (имеющий наибольшую среди волн видимого света длину волны ?к=7,6*10-7 м и наименьший показатель преломления), оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (имеющий наименьшую в видимом спектре длину волны ?ф=4*10-7 м и наибольший показатель преломления). Итак, спектральный анализ применяется почти во всех важнейших сферах человеческой деятельности: в медицине, в криминалистике, в промышленности и других отраслях, которые существуют для блага человечества. Таким образом спектральный анализ является одним из важнейших аспектов развития не только научного прогресса, но и самого уровня жизни человека.

Список использованной литературы 1. Физический практикум «Электричество и магнетизм» под редакцией профессора В.И. Ивероновой. Издательство «Наука», М.– 1968г. 2. Д.В. Сивухин, «Общий курс физики. Атомная и ядерная физика. Часть 1. Атомная физика». Издательство «Наука», Москва – 1986г. 3. Н.Н. Евграфова, В.Л. Каган «Курс физики для подготовительных отделений вузов». Издательство «Высшая школа», Москва – 1978г. 4. Б.М. Яворский, Ю.А.Селезнев «Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и самообразования». Издательство «Наука», Москва – 1984г. 5. О.Ф. Кабардин «Физика». Издательство «Просвещение», М. – 1991г.

www.ronl.ru

Доклад - Спектры и спектральный анализ в физике

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭКОНОМИКИ, СТАТИСТИКИ И ИНФОРМАТИКИ

Предмет – КСЕ

ТЕМА:

ПОДГОТОВИЛ СТУДЕНТ ГРУППЫ № ЗФ-46

Содержание

1. Виды   спектров

1.1. Непрерывные спектры

1.2. Линейчатые спектры

1.3. Полосатые спектры

1.4. Спектры поглощения

2. Спектральный анализ

3. Спектральные аппараты

4. Инфракрасная и ультрафиолетовая части спектра   

5. Спектр видимого света

Виды спектров.

        Спектральный состав излучения различных веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.

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 видеть сплошную разноцветную полосу.

         Распределение энергии по частотам, т.е. спектральная плотность интенсивности излучения, для различных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности от частоты имеет максимум при определенной частоте vmax. Энергия излучения, приходящаяся на очень малые (v → 0) и очень большие (v → ∞) частоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.

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

        Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

         Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые спектры.

Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет ярко желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. На спектроскопе также можно увидеть частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину.

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

          Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн.

          Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.

           При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, наконец при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр. 

Полосатые спектры.

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

Спектры поглощения.

Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету (l»8·10-5 см), и поглощает все остальные. Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Спектральный анализ.

                  Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность «заглянуть» внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

              Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго-определенный набор длин волн.

               На этом основан спектральный анализ — метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества если даже его масса не превышает 10-10. 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 низких температурах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный спектральный анализ. В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий спектра. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой». Это цвет основных линий спектра цезия.

               Именно с помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об истории его открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный».                Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.                 Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам.                Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверхность Солнца — фотосфера — дает непрерывный спектр. Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы.               Но и сама атмосфера Солнца излучает свет. Во время солнечных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной, происходит обращение линий спектра. На месте линий поглощения в солнечном спектре вспыхивают линии излучения.              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.

              Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.                Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата. Исследуемое излучение поступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором. Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом — собирающая линза. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на призму.                Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии этой линзы располагается экран — матовое стекло или фотопластинка. Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.                Описанный прибор называется спектрографом. Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называется спектроскопом. Призмы и другие детали спектральных аппаратов необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются и такие прозрачные материалы, как кварц, каменная соль и др.

            В начале XIX в. было обнаружено, что выше (по длине волны) красной части спектра видимого света находится невидимый глазом инфракрасный участок спектра, а ниже фиолетовой части спектра видимого света находится невидимый ультрафиолетовый участок спектра.

           Длины волны инфракрасного излучения заключены в пределах от

3·10-4 до 7,6·10-7 м. Наиболее характерным свойством этого излучения является его тепловое действие. Источником инфракрасного является любое тело. Интенсивность этого излучения тем выше, чем больше температура тела. Инфракрасное излучение исследуют с помощью термопар и болометров. На использование инфракрасного излучения основан принцип действия приборов ночного видения.

           Длины волн ультрафиолетового излучения заключены в пределах от

4·10-7 до 6·10-9 м. Наиболее характерным свойством этого излучения является его химическое и биологическое действие. Ультрафиолетовое излучение вызывает явление фотоэффекта, свечение ряда веществ (флуоресценцию и фосфоресценцию). Оно убивает болезнетворных микробов, вызывает появление загара и т.д.

          В науке инфракрасное и ультрафиолетовое излучения используются для исследования молекул и атомов вещества. 

На экране за преломляющей призмой  монохроматические цвета в спектре располагаются в следующем порядке: красный (имеющий наибольшую среди волн видимого света длину волны lк=7,6·10-7 м и наименьший показатель преломления), оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (имеющий наименьшую в видимом спектре длину волны lф=4·10-7 м и наибольший показатель преломления).

1. ФИЗИКА в помощь поступающим в ВУЗЫ

    Р.А. Мустафаев, В.Г. Кривцов

    (§105. Дисперсия света. Спектральный анализ. Стр. 406-408)

    (Глава 9. Излучение и спектры. Стр. 193-199 )

www.ronl.ru

Реферат Спектральный анализ

Реферат на тему:

План:

Введение
• 1 История
• 2 Принцип работы
• 3 Применение

Введение

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.

1. История

Фраунгоферовы линии

Тёмные линии на спектральных полосках были замечены давно (например, их отметил Волластон), но первое серьёзное исследование этих линий было предпринято только в 1814 году Йозефом Фраунгофером. В его честь эффект получил название «Фраунгоферовы линии». Фраунгофер установил стабильность положения линий, составил их таблицу (всего он насчитал 574 линии), присвоил каждой буквенно-цифровой код. Не менее важным стало его заключение, что линии не связаны ни с оптическим материалом, ни с земной атмосферой, но являются природной характеристикой солнечного света. Аналогичные линии он обнаружил у искусственных источников света, а также в спектрах Венеры и Сириуса.

Вскоре выяснялось, что одна из самых отчётливых линий всегда появляется в присутствии натрия. В 1859 году Г. Кирхгоф и Р. Бунзен после серии экспериментов заключили: каждый химический элемент имеет свой неповторимый линейчатый спектр, и по спектру небесных светил можно сделать выводы о составе их вещества. С этого момента в науке появился спектральный анализ, мощный метод дистанционного определения химического состава.

Для проверки метода в 1868 году Парижская академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было предсказано, яркими на тёмном фоне.

Природа каждой из линий, их связь с химическими элементами выяснялись постепенно. В 1860 году Кирхгоф и Бунзен при помощи спектрального анализа открыли цезий, а в 1861 году — рубидий. А гелий был открыт на Солнце на 27 лет ранее, чем на Земле (1868 и 1895 годы соответственно).

2. Принцип работы

Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

3. 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.

wreferat.baza-referat.ru

Реферат - Спектры. Спектральный анализ

  Конспект.

    Спектры, спектральный анализ.<span TiffanyUkraine Light",«serif»">

Источник света долженпотреблять  энергию. Свет — этоэлектромагнитные  волны с длиной волны4*10-7 — 8*10-7 м. Электромагнитные  волны излучаются при ускоренном  движении заряженных частиц. Эти заряженныечастицы входят в состав атомов. Но, не зная, как устроен атом, ничегодостоверного о механизме  излучениясказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света так же, как в струнерояля нет звука. Подобно струне, начинающей звучать лишь после удара молоточка, атомы рождают свет только после ихвозбуждения.

Для того чтобы атом начализлучать,  ему необходимо передатьэнергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечениявещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Тепловое излучение. Наиболее простой и распространенный вид излучения — тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение светакомпенсируются за счет энергии теплового движения атомов или (молекул)излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы. Пристолкновении быстрых атомов (молекул) друг с другом часть их кинетическойэнергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет.

Тепловым источникомизлучения является Солнце, а также обычная лампа накаливания. Лампа оченьудобный, но малоэкономичный источник. Лишь примерно 12% всей энергии, выделяемой в лампе электрическим током, преобразуется в энергию света.Тепловым  источником света являетсяпламя.  Крупинки сажи раскаляются  за счет энергии, выделяющейся  при сгорании топлива, и испускают свет.

Электролюминесценция. Энергия, необходимая атомам для излучения света, можетзаимствоваться и из нетепловых источников. При разряде в газах электрическоеполе сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроныиспытывают  соударения с атомами.  Часть кинетической энергии электронов идет навозбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световыхволн.  Благодаря этому разряд в газе сопровождаетсясвечением. Это и есть электролюминесценция. 

Катодолюминесценция. Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой  их электронами, называют катодолюминисенцией.Благодаря катодолюминесценции светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.

Хемилюминесценция. При некоторых  химическихреакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственнорасходуется  на излучение света. Источниксвета  остается холодным (он имееттемпературу окружающей среды). Это явление называется хемиолюминесценкией. 

Фотолюминесценция. Падающий на вещество свет частично отражается,  а частично поглощается. Энергия поглощаемогосвета в большинстве случаев вызывает лишь нагревание тел. Однако некоторые теласами начинают светиться непосредственно под действием падающего  на негоизлучения. Это и есть фотолюминесценция. Свет возбуждает  атомы вещества (увеличивает  их внутреннюю энергию), после этого онивысвечиваются сами. Например, светящиеся краски, которыми покрывают многиеелочные игрушки, излучают свет после их облучения.

Излучаемый прифотолюминесценции  свет имеет, какправило, большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение. Это можнонаблюдать экспериментально. Если направить на сосуд с флюоресцеитом(органический краситель) световой  пучок,пропущенный через фиолетовый светофильтр, то эта жидкость начинает светитьсязелено — желтым  светом, т. е. светомбольшей  длины волны, чем уфиолетового  света.

Явление фотолюминесценциишироко  используется в лампахдневного  света. Советский физик С. И.Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность разрядной  трубки веществами, способными  ярко светиться под действием коротковолновогоизлучения газового  разряда. Лампыдневного света примерно в три-четыре раза экономичнее  обычных ламп накаливания.

Перечислены основные видыизлучений  и источники, их создающие.Самые распространенные источники излучения — тепловые.

Распределение энергии в спектре. Ни один из источников не дает монохроматическогосвета, т. е. света  строго определеннойдлины волны.  В этом нас убеждают опытыпо разложению света в спектр с помощью призмы, а также опыты по интерференции и дифракции.

Та энергия, которую несет ссобой свет от источника, определенным образом распределена по волнам всех длин, входящим в состав световогопучка. Можно также  сказать, что энергияраспределена  по частотам, так как междудлиной волны и частотой существует простая связь: <span Times New Roman""><span Times New Roman"">ђ

Плотность потокаэлектромагнитного  излучения, илиинтенсивность /, определяется  энергией&W, приходящейся  на все частоты. Дляхарактеристики  распределения излученияпо частотам нужно ввести новую величину: интенсивность, приходящуюся  на единичный интервал частот.  Эту величину называют спектральной  плотностью интенсивности излучения. 

Спектральную плотностьпотока излучения можно найти экспериментально. Для этого надо с помощью  призмыполучить спектр излучения,  например,электрической дуги, и измерить плотность потока излучения, приходящегося нанебольшие  спектральные интервалы ширинойAv.

Полагаться на глаз приоценке распределения  энергии нельзя.Глаз обладает  избирательнойчувствительностью  к свету: максимум егочувствительности  лежит в желто-зеленойобласти спектра. Лучше всего воспользоваться свойством черного тела почти полностьюпоглощать  свет всех длин волн. При этомэнергия излучения (т. е. света) вызывает нагревание тела. Поэтому достаточноизмерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощенной в единицувремени энергии.

Обычный термометр имеетслишком  малую чувствительность для того,чтобы его можно было с успехом использовать в таких опытах. Нужны более чувствительные приборы  для измерения температуры. Можно взятьэлектрический термометр, в котором  чувствительныйэлемент выполнен  в виде тонкойметаллической  пластины. Эту пластинунадо покрыть тонким слоем сажи, почти полностью поглощающей свет любой  длины волны.

Чувствительную к нагреваниюпластину прибора следует поместить в то или иное место спектра. Всему видимомуспектру длиной l от красных лучей до фиолетовых соответствует интервал частот  отvкр до уф. Ширине соответствует малый  интервал Av. По нагреванию черной пластиныприбора можно судить о плотности потока излучения,  приходящегося на интервал частот Av.Перемещая пластину вдоль спектра, мы обнаружим, что большая часть энергииприходится на красную часть спектра, а не на желто-зеленую, как кажется наглаз.

По результатам этих опытовможно  построить кривую зависимостиспектральной плотности интенсивности излучения от частоты. Спектральная плотность интенсивности излучения определяется по температуре пластины,а частоту нетрудно  найти, если используемыйдля разложения света прибор проградуирован, т. е. если известно, какой частотесоответствует данный участок  спектра.

Откладывая по оси абсциссзначения  частот, соответствующихсерединам  интервалов Av, а по осиординат спектральную плотность интенсивности излучения, мы получим ряд точек, через которые можно провести плавнуюкривую. Эта кривая дает наглядное представление о распределении энергии и видимой части спектра электрической  дуги.

Спектральные аппараты. Для точного исследования спектров такие  простые приспособления, как узкая щель,ограничивающая световой  пучок, и призма,уже недостаточны.  Необходимы приборы,дающие  четкий спектр, т. е. приборы,хорошо разделяющие волны различной  длиныи не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называютспектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппаратаявляется  призма или дифракционная решетка. 

Рассмотрим схему устройствапризменного спектрального аппарата. Исследуемое излучение  поступает вначале в часть прибора, называемуюколлиматором. Коллиматор представляет собой трубу,  на одном конце которой имеется ширма с узкойщелью, а на другом -  собирающая линза.Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световойпучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным  пучком и падает на призму. 

Так как разным частотамсоответствуют  различные показателипреломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие  по направлению. Они падают на линзу. Нафокусном расстоянии  этой линзырасполагается экран — матовое стекло или фотопластинка.  Линза фокусирует параллельные пучки лучей наэкране,  и вместо одного изображения щелиполучается целый ряд изображений.  Каждойчастоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Всеэти изображения вместе и образуют спектр.

Описанный прибор называетсяспектрографом. Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная  труба для визуального наблюдения спектров, топрибор называется  спектроскопом. Призмыи другие детали спектральных аппаратов необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются  и такие прозрачные материалы,  как кварц, каменная соль и др.

Вы познакомились с новойвеличиной -  спектральной плотностьюинтенсивности излучения. Узнали, что находится внутри кожуха спектрального  аппарата.

Спектральный составизлучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, какпоказывает опыт, можно разделить на три типа.

Непрерывные спектры. Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает,что в спектре представлены  волны всехдлин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошнуюразноцветную  полосу.

Распределение энергии почастотам,  т. е. Спектральнаяплотность  интенсивности излучения, дляразличных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучаетэлектромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотностиинтенсивности  излучения от частоты имеетмаксимум мри определенной частоте. Энергия излучения,  приходящаяся на очень малые и очень большиечастоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается всторону коротких волн.

Непрерывные (или сплошные)спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидкомсостоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного  спектра нужно нагреть тело до высокойтемпературы.

Характер непрерывногоспектра и сам факт его существования определяются не только свойствамиотдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействияатомов друг с другом.

Непрерывный спектр даеттакже  высокотемпературная плазма.Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые спектры. Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочекасбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли.

При наблюдении пламени вспектроскоп  на фоне едва различимогонепрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия. Эту желтую линию даютпары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. Каждый из них — это частокол  цветных линий различной яркости,  разделенных широкими темными  полосами. Такие спектры называютсялинейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает светтолько вполне  определенных длин волн(точнее, в определенных очень узких спектральных  интервалах). Каждая линия имеет конечнуюширину.

Линейчатые спектры дают всевещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случаесвет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют  друг с другом. Это самый  фундаментальный, основной тип спектров.

Изолированные атомы излучаютстрого определенные длины волн. Обычно для наблюдения линейчатых  спектров используют свечение паров вещества впламени или свечение  газового разряда втрубке, наполненной исследуемым газом.

При увеличении плотностиатомарного  газа отдельныеспектральные  линии расширяются, и,наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится  существенным, эти линии перекрывают  друг друга, образуя непрерывный  спектр.

 Полосатыеспектры. Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темнымипромежутками.  С помощью очень хорошегоспектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого  числаочень тесно расположенных  линий. Вотличие от линейчатых  спектров полосатыеспектры  создаются не атомами, амолекулами,  не связанными или слабосвязанными друг с другом.

Для наблюдения молекулярныхспектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени  или свечение газового разряда.

Спектры поглощения. Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световыеволны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн.Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стеклопропускает  волны, соответствующиекрасному свету, и поглощает все остальные.

Если пропускать белый светсквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источникапоявляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз техдлин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии нафоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупностиспектр поглощения.

Существуют непрерывные,линейчатые  и полосатые спектрыизлучения  и столько же видовспектров  поглощения.

Линейчатые спектры играютособо  важную роль, потому что ихструктура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими  внешних воздействий. Поэтому,  знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самымделаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученыеполучили возможность «заглянуть»  внутрьатома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.

Главное свойство линейчатыхспектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектракакого-либо вещества зависят  только отсвойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждениясвечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: ониспособны излучать строго-определенный набор длин волн.

На этом основан спектральныйанализ — метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев  у людей линейчатые спектры имеют неповторимуюиндивидуальность.  Неповторимость узоровна коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря  индивидуальности спектров имеется возможностьопределить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можнообнаружить  данный элемент в составесложного вещества. Это очень чувствительный метод.

Количественный анализсостава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных ли­нийзависит не только от массы вещества, но и от способа воз­буждения свечения.Так, при низ­ких температурах многие спектраль­ные линии вообще не появляются.Однако при соблюдении стандарт­ных условий возбуждения свечения можно проводитьи количественный спектральный анализ.

В настоящее время определеныспектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спект­ральногоанализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементамчасто давали названия в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий спект­ра.Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий оз­начает«небесно-голубой». Это цвет основных линий спектра цезия.

Именно с помощью спектраль­ногоанализа узнали химический состав Солнца и звезд. Другие методы анализа здесьвообще не­возможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых хими­ческихэлементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначальнооткрыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элементанапоминает об истории его откры­тия: слово гелий означает в пере­воде«солнечный».

Благодаря сравнительнойпросто­те и универсальности спектраль­ный анализ является основным ме­тодомконтроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атом­ной индустрии. Спомощью спект­рального анализа определяют химический  состав руд и минералов.

Состав сложных, главнымобразом органических, смесей анализи­руется по их молекулярным спект­рам.

Спектральный анализ можнопроизводить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения.Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позво­ляют исследоватьхимический состав этих небесных тел. Ярко светя­щаяся поверхность Солнца — фо­тосфера- дает непрерывный спектр. Солнечная атмосфера поглощает из­бирательно свет отфотосферы, что приводит к появлению линий погло­щения на фоне непрерывногоспект­ра фотосферы.

Но и сама атмосфера Солнцаизлучает свет. Во время солнечных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной,происходит обраще­ние линий спектра. На месте ли­ний поглощения в солнечномспект­ре вспыхивают линии излучения.

В астрофизике под спектраль­ныманализом понимают не только определение химического состава звезд, газовыхоблаков и т. д., но и нахождение по спектрам многих других физическиххарактеристик этих объектов: температуры, давле­ния, скорости движения, магнитнойиндукции.

Важно знать, из чего состоятокружающие нас тела. Изобрете­но много способов определения их состава. Носостав звезд и галактик можно узнать только с помощью спектрального анализа.

www.ronl.ru

Реферат - Спектральный анализ - Производство

Марио Льоцци

Большой вклад в исследование дисперсии и создание ахроматических линз, начатое еще Доллондом, внес Йозеф Фраунгофер (1787—1826), в ком редкое искусство экспериментатора дополнялось незаурядными способностями теоретика. В своем предисловии к собранию сочинений Фраунгофера Э. Ломмель так подытоживал его вклад в практическую оптику: «Благодаря введению своих новых и усовершенствованных методов, механизмов и измерительных инструментов для вращения и полировки линз… ему удалось получить достаточно большие образцы флинтгласа и кронгласа без всяких прожилок. Особенно большое значение имел найденный им метод точного определения формы линз, который совершенно изменил направление развития практической оптики и довел ахроматический телескоп до такого совершенства, о котором раньше нельзя было и мечтать».

Чтобы произвести точные измерения дисперсии света в призмах, Фраунгофер в качестве источника света использовал свечу или лампу. При этом он обнаружил в спектре яркую желтую линию, известную теперь как желтая линия натрия. Вскоре установили, что эта линия находится всегда в одном и том же месте спектра, так что ее очень удобно использовать для точного измерения показателей преломления. После этого, говорит Фраунгофер в своей первой работе 1815 г.,"… я решил выяснить, можно ли видеть подобную светящуюся линию в солнечном спектре. И я с помощью телескопа обнаружил не одну линию, а чрезвычайно большое количество вертикальных линий, резких и слабых, которые, однако, оказались темнее остальной части спектра, а некоторые из них казались почти совершенно черными".

Линии в солнечном спектре были обнаружены еще в 1802 г. Уолластоном, наблюдавшим непосредственно через призму щель в камере-обскуре, сильно освещенную солнечными лучами. Уолластон заметил семь таких линий, из которых пять особенно отчетливых, и, приняв их за линии, разделяющие цвета спектра, больше о них не думал.

Фраунгофер открыл сотни таких линий и внимательно их исследовал. Наиболее резко выраженные линии он обозначил большими и малыми буквами латинского алфавита (А, В,..,Z, а, b,...) и зафиксировал их постоянное положение в спектре, ясно понимая их значение для измерения показателей преломления. Он установил, что линия D солнечного спектра находится в том же положении, что и яркая линия натрия в спектре лампы. Его спектроскоп состоял из коллиматора, призмы и зрительной трубы, т. е. по существу из тех же элементов, что и современные спектроскопы. Фраунгофер направил спектроскоп на Венеру и обнаружил, что свет этой планеты содержит те же темные линии, что и солнечный спектр. Исследование спектра электрических искр позволило обнаружить большое число ярких линий.

Заслугой Фраунгофера является введение решеток для исследования спектров. Решетки применялись еще более 100 лет назад Клодом Дешалем (1621 —1678), повторившим опыты Гримальди с полированными металлическими пластинами, на которые Дешаль нанес серию близко расположенных параллельных полос. Если тонкий пучок света направить в темной камера на такую пластинку, то он образует спектр на белом экране. Такой же результат был получен и со штрихованной стеклянной пластинкой. Фраунгофер изготовлял решетки из тончайших близко расположенных параллельных нитей или же наносил на стеклянной пластинке параллельные штрихи алмазом. Изготовление решетки требует большого искусства, потому что для получения спектра необходимо по крайней мере 40 линий на миллиметре поверхности. Фраунгоферу удалось изготовить решетки, содержащие свыше 300 линий на миллиметре. Этот результат был далеко превзойден в 1883 г. американским физиком Генри Роулендом (1848—1901), изготовившим решетки с 800 штрихами на миллиметре; в настоящее время изготовляют решетки, содержащие даже 1700 штрихов на миллиметре.

Решетки были предметом теоретического исследования Оттавиано Фабрицио Моссотти (1791—1863), крупнейшего представителя математической физики в Италии в первой половине XIX века. Моссотти указал на удобство применения решеток для легкого и точного определения длин волн. Именно для этого, как известно, они применяются сейчас наряду с получением чистого спектра, называемого также нормальным, в котором фиолетовый цвет менее отклонен, чем красный, в противоположность спектру, создаваемому призмой.

Опыты Фраунгофера по исследованию спектров испускания были продолжены в Англии Брюстером, Джоном Гершелем и Фоксом Тальботом (1800—1877). В 1834 г. после многочисленных опытов с пламенем спирта, в котором были растворены различные соли, Тальбот пришел к такому выводу:«Когда в спектре пламени появляются какие-нибудь определенные линии,, они характеризуют металл, содержащийся в пламени».

А в следующем году Чарльз Уитстон (1802—1875), исследуя спектр электрической искры, пришел к заключению, что линии спектра зависят лишь от материала электродов и не зависят от газа, в котором проскакивает искра. В 1855 г. Андерс Ангстрем (1814—1874) показал, однако, что, понижая давление газа, можно исключить влияние электродов и получить чистый спектр газа. Удачное содружество конструктора физических приборов Генриха Гейслера (1814—1879) и немецкого физика и математика Юлиуса Плюк-кера (1801—1868) привело к почти одновременному появлению (1855 г.) трубок Гейслера и трубок Плюккера, весьма удобных для изучения спектра газов.

Несколькими годами раньше Уильям Аллен Миллер (1817—1870), продолжая опыты, начатые Гершелем, исследовал спектр солнечных лучей после их прохождения через различные газы (пары йода, брома и др.) и наблюдал в спектре темные линии, откуда заключил (1845 г.), что наблюдаемые линии — это линии поглощения и соответствуют они только окрашенным, а не бесцветным парам. Этот вывод противоречил утверждению французского астронома Пьера Жансена (1824—1907), известного своими астрофизическими исследованиями, который нашел линии поглощения и в опытах с водяным паром. По поводу интерпретации этих линий развернулась долгая дискуссия, закончившаяся, в конце концов, признанием того, что это действительно линии поглощения.

Впервые связь между линиями поглощения и линиями испускания была явно показана в 1849 г. Фуко, который наблюдал в спектре электрической дуги между угольными электродами многочисленные яркие линии, среди которых особенно выделялась линия D натрия. Но, пропустив сквозь дугу интенсивный пучок солнечного излучения и наблюдая его спектр, он заметил, что линия D стала темной. Отсюда он заключил, что дуга, испускающая линию D, поглощает ее, когда излучение исходит из другого источника. Это интересное наблюдение не было, однако, развито.

Истинными основателями спектрального анализа были немецкие ученые Густав Кирхгоф (1824—1887) и Роберт Бунзен (1811—1899). Многочисленные претензии других авторов на приоритет, выдвинутые вскоре после того, как выяснилась важность этого открытия, следует считать необоснованными.

Экспериментальным работам Кирхгофа и Бунзена, проведенным с 1859 по 1862 г., весьма способствовало появление скромного приспособления — «горелки Бунзена», описанной Бунзеном и англичанином Генри Роско (1833—1915) в 1857 г. в связи с началом их фотохимических исследований. Новая горелка давала высокотемпературное несветящееся пламя, что позволяло переводить в парообразное состояние различные химические вещества и наблюдать их спектры, не осложненные собственными линиями пламени (во многих случаях эти линии приводили к ошибочным выводам в предшествующих экспериментах). В 1859 г. Кирхгоф и Бунзен опубликовали свою первую экспериментальную работу, а в следующем году Кирхгоф пришел к выводу, подтвержденному также и термодинамическими соображениями, что все газы поглощают в точности те же длины волн, которые они способны излучать. Этот закон называют сейчас законом «инверсии спектра» или законом Кирхгофа. Чуть дальше мы встретимся с применением этого закона в проблеме излучения абсолютно черного тела.

Кирхгоф и Бунзен, кроме того, на основании своих и чужих экспериментов достаточно уверенно установили справедливость идеи Тальбота, что каждая светлая линия в спектре излучения характерна для излучающего ее элемента. Вооруженные этими двумя закономерностями, они приступили к спектральному анализу земных источников излучения, что привело их в 1861 г. к открытию рубидия и цезия — двух металлов, названных ими так по характерным для них красной и голубой линиям спектра, позволившим их открыть. В том же году Крукс открыл таллий, в 1865 г. Райх и Рихлер открыли индий, и т. д.

После того как Кирхгоф применил спектральный анализ к свету земных источников, он объяснил остававшиеся до того непонятными линии Фраун-гофера как линии поглощения солнечной атмосферы (а также земной, влияние которой легко, однако, отличить), что явилось важной вехой в истории физики, особенно астрофизики. В 1888 г. Гельмгольц писал, что это открытие вызвало восхищение всех людей и возбудило их фантазию в большей мере, чем какое-либо другое открытие, потому что оно позволило заглянуть в миры, представлявшиеся нам совершенно недоступными.

Как известно, ученые действительно «заглянули» в эти миры, сопоставив линии поглощения в спектрах света, приходящего от звезд, с яркими линиями излучения элементов, известных на Земле, с тем, чтобы установить, из каких элементов состоит атмосфера звезд. Такое сопоставление позволило уже Кирхгофу утверждать, что в солнечной атмосфере присутствуют натрий, железо, магний, медь, цинк, бор, никель. Общий вывод, к которому привели многочисленные последующие наблюдения, заключается в том, что элементы, существующие на Земле, распространены повсюду. Иными словами, вся Вселенная построена из одних и тех же материалов.

После Кирхгофа и Бунзена физики в результате огромной экспериментальной работы установили спектры всех известных элементов, измерив длины волн линий и их относительные интенсивности. Картина, которую представляет собой спектр какого-либо элемента, скажем железа или неона, по своему богатству, сложности, разнообразию, интенсивности, цветовой игре не менее величественна, нежели звездное небо. Как и звезды, линии кажутся распределенными беспорядочно. И так же как астрономы каталогизируют тысячи звезд, давая каждой из них описание, необходимое, чтобы ее отличить и характеризовать, так и спектроскописты каталогизируют линии, характеризуя каждую длиной волны, интенсивностью и экспериментальными условиями, при которых она наблюдается. Применение спектрального анализа практически ограничивается сложностью и разнообразием спектров, которые еще более возросли после того, как в конце прошлого столетия было впервые обнаружено, что многие спектральные линии в сильных спектроскопах расщепляются на большое число расположенных рядом отдельных линий, образующих в своей совокупности «тонкую структуру» спектра.

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Мария монтессори реферат
• 
  Типы конфликтов реферат
• 
  Кукольный театр реферат
• 
  Реферат солнечный удар
• 
  Законы логики реферат
• 
  Ядерная энергетика реферат
• 
  Очистные сооружения реферат
• 
  История сварки реферат
• 
  Теория выготского реферат
• 
  Вирусы микробиология реферат
• 
  Сверлильный станок реферат