Оптические спектры. Виды спектров — Гипермаркет знаний

Спектр (от лат. spectrum — представление, образ) — является совокупностью каждого из значений любой физической величины , которая характеризует систему либо процесс.

Зачастую используют определения частотного спектра колебаний (например, электромагнитных), спектра энергий, импульсов и масс частиц. Спектр может быть непрерывным и дискретным (прерывистым).

— это спектры электромагнитных излучений в ИК, видимом и UF диапазонах длин волн. Оптические спектры делятся на спектры испуска-ния, спектры поглощения (абсорбционные спектры), спектры рассеяния и спектры отражения.

Оптические спектры получают от источников света при разложении их излучения по длинам волн λ (либо частотам v = c / λ , либо волновым числам 1/ λ =v / c , которые также обозначаются как v ) при помощи спектральных приборов. Чтоб охарактеризовать распределение излучения по частотам, вводится спектральная плотность излучения I (v) , которая равна интенсивности излучения I , которая приходится на единичный интервал частот (интенсивность излучения I является плотностью потока электромаг-нитного излучения, приходящегося на все частоты). Интенсивность излучения, которая приходится на маленький спектральный интервал Δv , равна I (v)Δv . Просуммировав подобные выражения по всем частотам спектра, получаем плотность потока излучения I .

Виды спектров.

Спектральный состав излучения веществ очень разнообразен, но не-смотря на это, каждый спектр делится на 3 типа:

• непрерыв-ные спектры ,
• линейчатые спектры,
• полосатые спектры .

Непрерывные спектры , либо сплошные спектры , как видно из опытов, дают тела, которые находятся в твердом либо жидком состоянии, или очень сжатые газы. Что бы получить непрерывный спектр, тело необходимо нагреть до большой температуры.

Непрерывные спектры определяются не только излучательной способностью самих атомов, но в большой степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

На рисунке вы видите кривую зависимости спектральной плот-ности интенсивности теплового излучения от частоты (спектр) тела с сильно черной поверхностью. У кривой есть максимум при частоте v m a x , которая зависит от температуры тела. С увеличением температуры максимум энергии излучения сдвигается к боль-шим частотам. Энергия излучения, которая приходится на очень маленькие (v → 0 ) и очень большие (v → ∞ ) частоты, весьма мала. В сплошном спектре представлены каждая из длин волн.

Линейчатые спектры складываются из отдельных спектральных линий, это признак того, что вещество излучает свет конкретных длин волн в определенных, очень узких спектральных интервалах. Все линии имеют конечную длину.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В таком случае излучают атомы, которые не взаимодействуют друг с другом. Это фунда-ментальный, самый основной тип спектров.

Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн, характерные для данного типа атомов. Классическим примером линейчатого спектра является спектр атома водорода .

Спектральные закономерности в спектре атома водорода.

В этой формуле v — не частота, которая измеряется в с -1 , а вол-новое число, которое равно обратному значению длины волны 1/ λ и которое измеряется в м - 1 .

Что бы определить частоты излучения других серий атома водорода вместо двойки в знаменате-ле первой дроби в формуле необходимо подставить числа 1, 3, 4, 5.

Номера нижних энергетических уровней, при переходе на которые с верхних уровней излучаются соответствующие серии:

Полосатые спектры состоят из отдельных полос, которые разделены темными промежутками. При по-мощи весьма хорошего спектрального аппарата можно увидеть, что все полосы состоят из большого числа близко лежащих линий. Полосатые спектры излучают молекулы, которые не связаны либо слабо связаны друг с другом.

Для наблюдения молекулярных спектров, как и для наблюдения линейчатых спектров, применяют свечение паров в пламени либо свечение газового разряда.

Спектры поглощения тоже делятся на 3 типа (сплошные, линейчатые и полосатые), что и спектры испускания. Поглощение света тоже зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, которые соответствуют красному свету (λ ≈ 8 · 10 - 5 см), и поглощает остальные.

Газ интенсивнее всех поглощает свет тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии.

Таким образом, если пропускать белый свет через холодный неизлучающий газ, то на фоне непрерыв-ного спектра излучения появятся темные линии. Это линии поглощения, которые образуют в совокуп-ности спектр поглощения .

В семнадцатом веке, обозначающее совокупность всех значений какой-либо физической величины. Энергии, массы, оптического излучения. Именно последнее зачастую имеется в виду, когда мы говорим о спектре света. Конкретно спектр света представляет собой совокупность полос оптического излучения разной частоты, часть из которых мы можем видеть повседневно в окружающем мире, часть же их недоступна для невооруженного глаза. В зависимости от возможности восприятия человеческим глазом, спектр света разделяют на видимую часть и невидимую. Последнюю, в свою очередь, - на инфракрасный и ультрафиолетовый свет.

Виды спектров

Существуют также разные виды спектров. Таких выделяют три, в зависимости от спектральной плотности интенсивности излучения. Спектры могут быть непрерывные, линейчатые и полосатые. Виды спектров определяют с помощью

Непрерывный спектр

Непрерывный спектр образуется нагретыми до высокой температуры твердыми телами или газами высокой плотности. Всем известная радуга семи цветов является прямым примером непрерывного спектра.

Линейчатый спектр

Также представляет виды спектров и исходит от любого вещества, находящегося в газообразном атомарном состоянии. Здесь важно отметить, что именно в атомарном, а не молекулярном. Такой спектр обеспечивает крайне низкое взаимодействие атомов друг с другом. Поскольку взаимодействия нет, атомы излучают волны перманентно одинаковой длины. Примером такого спектра является свечение газов, нагретых до высокой температуры.

Полосатый спектр

Полосатый спектр визуально представляет собой отдельные полосы, четко разграниченные достаточно темными промежутками. При этом каждая из этих полос не является излучением строго определенной частоты, а состоит из большого количества близко расположенных друг к другу световых линий. Примером таких спектров, как и в случае с линейчатым, является свечение паров при высокой температуре. Однако они создаются уже не атомами, а имеющими крайне тесную общую связь молекулами, что и обуславливает подобное свечение.

Спектр поглощения

Однако на этом виды спектров все-таки не заканчиваются. Дополнительно выделяют еще такой вид, как спектр поглощения. При спектральном анализе спектр поглощения - это темные линии на фоне непрерывного спектра и, по существу, спектр поглощения - это выражение зависимости от показателя поглощения вещества, который может быть более или менее высоким.

Хотя существует широкий диапазон экспериментальных подходов к измерению спектров поглощения. Наиболее распространенным является эксперимент, когда генерируемый пучок излучения пропускается через охлажденный (для отсутствия взаимодействия частиц и, следовательно, свечения) газ, после чего определяется интенсивность излучения, проходящего через него. Переданная энергия вполне может быть использована для вычисления поглощения.

Статья рассказывает об определении и видах спектра, освещает области применения спектроскопии, а также описывает исследование незнакомого твердого вещества и применяемые для этого виды спектров.

Что такое спектр?

Вообще, в таком виде этот вопрос побуждает читателя вспоминать об уроках физики и бесконечных формулах. Однако это понятие охватывает гораздо большее разнообразие и выходит за рамки школьной программы. Итак, спектр - это распределение значений некоторой величины (иногда понятия). Под величиной, конечно, часто подразумевают конкретные массу, энергию, длину волны. Но бывают и совсем другие распределения. Например, женщина умеет готовить два блюда - это ее кулинарный спектр. Или мужчина может пить кофе, компот, чай, но не приемлет алкоголь, значит, его диапазон напитков ограничен. То есть бывают совершенно несвязанные с наукой виды спектров. Физика в примерах выше никакой роли не играет.

Электромагнитная шкала

Однако чаще всего люди слышат это понятие, когда речь идет о науке (в частности об электромагнитной шкале). Откуда берутся электромагнитные волны? Сам механизм их возникновения до сих пор остается загадкой. Вообще область не частиц, а полей весьма загадочна. Однако известно, что электромагнитные поля (а значит и волны) возникают при наличии движущегося в пространстве заряда. И в зависимости от того, какой он и как движется, на электромагнитной шкале проявляются различные виды излучения. Спектр в данном случае рассматривается в зависимости от длины волны. Напомним, что под этим термином понимается минимальное расстояние между одинаковыми фазами соседних возмущений (если проще - между идущими друг за другом максимумами или минимумами). Самыми большими длинами волн обладают радиоволны, самыми маленькими - гамма-излучение. То, что видит человеческий глаз, составляет лишь малую долю всего диапазона и расположено ближе к началу шкалы. Поэтому виды спектров различаются прежде всего по длине волны или частоте.

Спектроскопия

Познавательная часть этой статьи описала некоторые основные понятия. Однако самым главным в любом исследовании является его актуальность.

Другими словами - область применения. По этой части все виды спектров лидируют. Их используют везде: от криминалистики до создания новых веществ, от биологии до межзвездного пространства. Наука, которая сосредоточена на этом физическом понятии, как читатель наверняка уже понял, называется спектроскопия. На данный момент виды спектров (спектральный анализ - соответственно) различают по нескольким критериям.

Типы спектров

Как было сказано, первый критерий - длина волны. Напомним, что частота волны обратно пропорциональная длине - эти понятия непрерывно связаны. В соответствии с областями на электромагнитной шкале, существуют радио, ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные, рентгеновские виды спектров. Второй критерий - геометрия эксперимента. Снятие на отражение и на пропускание спектра могут быть принципиально разными.

Анализ различий может много сообщить об изучаемой субстанции. Например, выводы о составе и плотности колец Сатурна были сделаны именно так.

Линии и полосы

Шутка про сферического коня в вакууме только наполовину шутка. Пятьдесят процентов, если не большинство физических понятий в природе не существует в чистом виде. Поэтому следующий критерий, который разделяет виды спектров, условен. Один идеальный атом (или молекула) вещества в абсолютном вакууме даст распределение электромагнитных сигналов, состоящее из тонких линий. Данные условия невыполнимы, но тем не менее очень узкие полосы с неразличимыми внутри отдельными компонентами принято считать линейчатым спектром. Как правило, он представляет собой набор столбиков разной высоты (она обозначает интенсивность) на соответствующих длинах волн. Однако существуют и другие виды спектров, которые называются полосчатыми: каждая линия имеет широкие, размытые края.

Голубое небо

Вопрос, почему небо голубое, задает каждый непоседа четырех лет. Ответ и прост, и сложен одновременно: оно имеет такой цвет, потому что микроколебания (называемые флуктуациями) земной атмосферы из всего солнечного спектра рассеивают только соответствующую ему область длин волн. Все остальное поглощается (в большей степени) или отражается.

Это еще одни критерий. То есть существуют спектры поглощения, испускания и рассеяния. Исследования каждого дает свои результаты. Но основную информацию о веществе несут разные виды спектров испускания. Они дают однозначный ответ, что и в каком количестве присутствует в исследуемой субстанции. Два других вида покажут сложность структуры и способы взаимодействия отдельных ее частей между собой.

Лунный камень

За что и какой спектр отвечает, покажем на примере булыжника, доставленного с Луны. Если разнообразными манипуляциями заставить камень светиться, получившийся спектр однозначно покажет, какие именно химические элементы системы Менделеева в нем есть. Другие процедуры способны извлечь из этих же спектров концентрации обнаруженных элементов. Однако твердое тело и его свойства определяются не только тем, из чего оно состоит, но и как эти отдельные элементарные части относительно друг друга расположены. Классический пример - графит и алмаз. В обоих случаях - это родной углерод. Но по-разному связанны атомы - и мы получаем очень мягкий и наиболее твердый природные материалы. Почему родной? Потому что он еще и основа жизни. К слову сказать, помимо упомянутых форм, существуют еще и фуллерены, и нанотрубки, и недавно открытый графен, за который ученые получили Нобелевскую премию. Правда, в последнем случае стоит оговориться, что вещество двумерно, это значительно меняет все представление о тонких слоях веществ. Итак, о строении твердого вещества, о входящих в его состав минералах расскажет спектроскопия рассеяния. Например, Рамановские линии (при верной интерпретации) до нескольких элементарных ячеек определяют структуру кристалла. А вот анализ края поглощения, вернее, его деталей: угла наклона, наличия аномалий в виде отклонения от линейной формы, помогает найти степень стройности этой структуры, то есть показать, какие кристаллы в камне с Луны - четкие или вещество почти аморфно?

По этим данным специалисты вычисляют происхождение вещества камня, а также метаморфозы пород, входящих в его состав.

Цифровой мир

Современность немыслима без цифровых технологий. И, главное, отнюдь не быстродействие процессоров или количество гигабайт оперативной памяти, а шифрование сигнала. Конечно, это важно прежде всего для тех областей, где необходима конфиденциальность - в банковском деле, личном общении через интернет. Но даже простая запись фильма на диск - это шифровка. Ведь лазер прожигает не картинки, а нули и единицы. Люди, которые работают в сфере создания и обработки фотографий, знают, сколько «весит» изображение в изначальном формате Raw. Для непосвященных раскроем секрет: очень много. Потому что каждому пикселю задается свой оттенок и освещенность. Но привычные нам jpeg, tiff или даже bmp занимают на носителях информации гораздо меньше места, при этом видимое качество ничуть не хуже.

Так в чем же секрет? Ответ - виды спектров сигнала и варианты его сжатия. Фурье доказал, что любой сигнал может быть с достаточно высокой точностью разложен на ряд функций. Таким образом, каждый пиксель привычных форматов фотографии отображает не непосредственно зафиксированную краску, а спектр сигнала. Некоторые видеоформаты используют не Фурье, а вейвлет-преобразование для раскодировки небольших порций единиц и нулей в конкретную картинку. Таким образом, потеряв совсем небольшую (меньше одного процента) часть изображения можно значительно, иногда в сто раз, сократить количество занимаемого на диске или флеш-карте места.

Сплошной и линейчатый спектр – это понятия, пришедшие из физики. В каждом случае предполагается анализ цветового наполнения определенной траектории и особенности взаимодействия молекул.

Сплошной и линейчатый спектр: важные отличия

1. Сплошной спектр представляет собой все цвета радуги, которые способны равномерно переходить друг в друга. В результате они создают белый цвет, напоминающий солнечный.
2. Линейчатый спектр излучает свет со специальными участками, которые соответствуют только определенным цветам. Предполагается отсутствие равномерности и риск искажения цветовой передачи.

Однако что же представляют собой сплошной и линейчатый спектр? Какой механизм образования в каждом случае задействован?

Линейчатый спектр: что это?

Линейчатый спектр состоит из отдельных монохроматических излучений , которые не способны примыкать друг к другу. Предполагается наличие внутриатомных процессов, в результате которых и образуются волны, отличающиеся своим уровнем интенсивности.

Возможные отличия линейчатых спектров друг от друга:

• Число включенных линий.
• Месторасположение.
• Степень интенсивности цветовой передачи.

Любой линейчатый спектр включает в себя отдельные светлые линии, разбросанные по разным сегментам одного спектра. Цвет любимой видимой линии обязательно соответствует определенному цвету этого же места в анализируемом сплошном спектре.

Линейчатый спектр может содержать в себе большое количество линий, располагаемых в следующих частях:

• Инфракрасная.
• Видимая.
• Ультрафиолетовая.

В то же время линии располагаются закономерно, поэтому хаоса не отмечается. Цветовые линии создают характерные группы, которые принято называть сериями.

Линейчатый спектр образуется излучением , которое испускают атомы. На этом этапе также нужно выделить отличие от полосатого спектра, который образуется излучением от молекул. Каждый вид атомов обладает уникальным спектром, основанным на специальных длинах волн. Эта особенность приводит к спектральному анализу веществ.

Линейчатый спектр любого элемента включает в себя спектральные линии, которые соответствуют лучам, исходящим от раскаленных паров и газов. Наличие подобных линий является характерным для любого обнаруживаемого элемента, поэтому можно проводить специальные анализы, исследования.

Линейчатые спектр – это строго индивидуальные свойства определенной молекулы, причем это оказывается справедливым для молекул разного состава и изомеров.

Линейчатый спектр может проявляться только при определенных обстоятельствах: энергия бомбардирующих электронов должна быть достаточной для удаления электронов с самых глубоких слоев. При подобных переходах может испускаться фотон рентгеновского излучения. Важно отметить, что совокупность подобных цветовых линий позволяет создавать серию рентгеновского спектра, который впоследствии используется в рентгеноструктурном анализе.

Линейчатый спектр включает в себя резко очерченные цветные линии, которые обязательно отделяются друг от друга широкими темными промежутками. В каждой группе предполагается максимальное сближение линий, благодаря чему предполагается возможность увидеть отдельную полосу интервала длин световых волн. Несмотря на это, линейчатые спектры могут излучаться только отдельными атомами, которые не вступают в какую-либо связь друг с другом, так как спектры химических элементов не способны совпадать. Данный нюанс предполагает, что все атомы определенного химического элемента обладают электронными оболочками одинакового строения, но электронные оболочки химических элементов будут обладать отличиями.

Если же линейный спектр образуется на основе некоторого химического элемента одноатомного газа, гарантируется более сложная структура. Один и тот же элемент может обладать разными цветовыми спектрами, так как они определяются способом возбуждения свечения. В любом случае для образования линейчатого спектра требуются специальные линии, которые соответствуют лучам, испускаемым парами, газами.

Линейчатые спектры представляют собой узкие разноцветные линии, разделенные темными промежутками. В то же время упорядоченность чередования обязательна.

Сплошной спектр: что это?

Сплошной (непрерывный) спектр – это цветовая палитра, которая представлена в виде одной сплошной полосы. Предполагается пропускание солнечного света через используемую призму. В сплошной полосе представлены все цвета, плавно переходящие один в другой.

Сплошной спектр является характерным для твердых, а также жидких излучающих тел, которые обладают температурой около нескольких тысяч градусов Цельсия. Кроме того, сплошной спектр может предоставляться светящимися газами или парами, если их давление является очень высоким.

По-другому видят спектры, если источником света являются светящиеся газы, отличающиеся незначительной плотностью. Подобные газы включают в себя изолированные атомы с минимальным взаимодействием. Свечения можно достигнуть, если нагреть газ до температуры около двухсот градусов Цельсия.

Цвет, спектр, взаимодействие атомов и молекул всегда взаимосвязаны, что подтверждает структурную последовательность физического мира.