Спектр излучения образуется, когда вещество само излучает свет, проявляясь в виде ярких линий на темном фоне. Спектр поглощения образуется, когда вещество поглощает часть проходящего через него света, проявляясь в виде темных линий на непрерывном спектре. Для данного элемента линии в обоих спектрах лежат на одних и тех же длинах волн, поскольку они возникают из одних и тех же энергетических уровней атома.
Суммируя
- Излучательный: атом высвобождает энергию и испускает фотон – мы видим яркие цветные линии на темном фоне.
- Поглощение: атом поглощает фотон и переходит на более высокий энергетический уровень – в непрерывном спектре появляются темные линии.
- Условия: излучение генерируется возбужденным, разреженным газом; поглощение генерируется более холодным газом перед источником света с непрерывным спектром.
- Общее свойство: положение линий — это «отпечаток пальца» элемента, одинаковый в обоих спектрах.
Откуда берутся спектральные линии?
Электроны в атоме могут иметь только определенные, дискретные энергии — мы называем их энергетическими уровнями . Переход электрона между двумя уровнями включает в себя испускание или поглощение фотона с энергией, точно равной разности этих уровней. Энергия фотона определяет его длину волны, или, в видимом спектре, его цвет.
Каждый элемент имеет свою собственную структуру уровней и, следовательно, свой уникальный набор линий. Это лежит в основе спектроскопии , или спектрального анализа: линии можно использовать для определения состава образца — даже если он находится на расстоянии световых лет от звезды.
Спектр излучения – как он создается?
Для того чтобы атом излучал свет, он должен сначала быть возбужден , то есть ему необходимо придать энергию — путем нагревания в пламени, электрического разряда или воздействия света. Возбужденный электрон возвращается на более низкий уровень и испускает фотон. Рассеивая этот свет с помощью призмы или дифракционной решетки, мы видим отдельные яркие линии на темном фоне .
Примерами из реальной жизни являются газоразрядные лампы : натриевые уличные фонари излучают характерный желто-оранжевый свет, а неоновые трубки — красновато-оранжевый. Тот же механизм используется в школьных тестах на пламя : соли натрия окрашивают пламя в желтый цвет, а соли меди — в зеленый или сине-зеленый.
Спектр поглощения – как он образуется?
Для формирования спектра поглощения необходимы две вещи: источник света с непрерывным спектром (например, раскалённое твёрдое тело или горячая внутренняя часть звезды) и более холодная среда, через которую проходит свет. Атомы в среде поглощают фотоны только с энергиями, соответствующими их переходам, и переходят на более высокие уровни.
В результате в радужной полосе непрерывного спектра появляются темные линии — «недостающие» длины волн. Самый известный пример — линии Фраунгофера в солнечном спектре, описанные Йозефом фон Фраунгофером в 1814 году. Они возникают, когда газы в солнечной атмосфере поглощают часть света, излучаемого фотосферой.
Сравнение спектров излучения и поглощения
| Характерный | Спектр излучения | Спектр поглощения |
|---|---|---|
| Появление | Светлые линии на темном фоне | Темные линии на фоне непрерывного спектра |
| Процесс в атоме | Электрон переходит на более низкий уровень, при этом испускается фотон. | Электрон переходит на более высокий уровень, фотон поглощается. |
| Энергетическое направление | Атом выделяет энергию. | Атом поглощает энергию |
| Необходим источник | Возбужденное светящееся вещество само по себе | Внешний источник непрерывного спектра |
| Типичные условия | Горячий, разреженный газ | Более холодный газ находится перед более горячим источником. |
| Местоположение линии | Характеристика элемента | Те же длины волн, что и в спектре излучения. |
| Примеры | Неон, натриевая лампа, пламенный тест | Фраунгоферовские линии в солнечном спектре |
Стоит помнить, что спектр поглощения обычно не содержит всех линий спектра излучения. В холодном газе большинство атомов находятся в основном состоянии, поэтому он поглощает в основном фотоны, соответствующие переходам с самых низких уровней.
Непрерывный спектр – третий тип
Помимо линейных спектров, существует непрерывный спектр — плавный, непрерывный переход всех цветов. Эти спектры излучаются раскалёнными твёрдыми телами, жидкостями и плотными газами, такими как нить накаливания обычной лампочки. Это сочетание трёх спектральных типов описывается законами Кирхгофа , сформулированными в середине XIX века на основе исследований Густава Кирхгофа и Роберта Бунзена. Они заметили, что тёмные линии в солнечном спектре перекрываются со светлыми линиями нагретых элементов, что помогло объяснить состав солнечной атмосферы.
Для чего используются оба спектра?
- В астрономии спектры поглощения звёзд позволяют определить их химический состав и температуру, а смещение линий даёт возможность измерить их скорость (эффект Доплера). В XIX веке в спектре Солнца была обнаружена линия неизвестного элемента — так был открыт гелий, ещё до того, как его нашли на Земле.
- Аналитическая химия – абсорбционная и эмиссионная спектрометрия – используется для определения элементов, например металлов, в образцах воды, почвы или пищевых продуктов.
- Туманности — светящиеся облака газа вокруг горячих звезд — производят спектры излучения, которые, помимо прочего, позволяют идентифицировать водород.
- Освещение и технология – цвет газоразрядных ламп зависит от линий излучения газового или металлического пара внутри них.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Как отличить спектр излучения от спектра поглощения на рисунке?
Если вы видите несколько цветных линий на чёрном фоне, это спектр излучения. Если вы видите полную радугу, пересекаемую чёрными линиями, это спектр поглощения.
Почему линии излучения и поглощения данного элемента лежат в одном и том же месте?
Потому что они соответствуют одним и тем же переходам между энергетическими уровнями. Фотон с заданной энергией испускается, когда электрон переходит с более высокого уровня на более низкий, и поглощается, когда он переходит с более низкого уровня на более высокий.
Солнечный спектр — это излучение или поглощение?
Солнечный свет имеет непрерывный спектр с наложенными на него темными линиями поглощения (линиями Фраунгофера). Поэтому говорят, что он имеет спектр поглощения.
Что такое линейный спектр?
Это спектр, состоящий из отдельных линий, а не непрерывная полоса цветов. Как спектры излучения (светлые линии), так и спектры поглощения (темные линии) могут быть линейными. Они типичны для атомных газов.
Чем непрерывный спектр отличается от линейного спектра?
Непрерывный спектр содержит все длины волн в заданном диапазоне и возникает в результате излучения раскаленных твердых тел или плотных газов. Линейный спектр содержит только выбранные длины волн, характерные для данного элемента.
См. также
- В чём разница между оптическим микроскопом и электронным микроскопом?
- В чём разница между OLED и QLED?
- В чём разница между телескопом и обычным телескопом?
- В чём разница между метеором и метеоритом?