Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Раскалённые твёрдые тела и жидкости дают сплошной спектр, разреженные газы из отдельных атомов — линейчатый, а газы из молекул — полосатый. Холодный газ поглощает свет ровно тех частот, которые сам излучает (закон Кирхгофа). Поэтому набор линий — «отпечаток пальца» элемента, и по нему узнают состав вещества.
Подробное объяснение
Посмотрите на обычную лампочку и на неоновую вывеску через дифракционную решётку или даже через блестящую сторону компакт-диска. От лампочки получится сплошная радуга. От вывески — несколько отдельных ярких цветных полосок на тёмном фоне. Свет и там, и там, но спектры совсем разные. Почему?
Сплошной спектр
Спектр называют сплошным (непрерывным), если в нём есть все цвета, то есть волны всех частот видимого диапазона — примерно от \(4 \cdot 10^{14}\) до \(8 \cdot 10^{14}\) Гц. Цвета плавно переходят друг в друга.
Такой спектр дают раскалённые твёрдые тела и жидкости: нить лампы накаливания, расплавленный металл, пламя свечи (в нём светятся раскалённые частички сажи). Сплошной спектр дают и газы, если они очень плотные, под большим давлением. Причина одна: атомы стоят тесно и сильно взаимодействуют друг с другом, поэтому излучают волны любых частот.
Линейчатый спектр испускания
Разреженный газ состоит из изолированных атомов, которые почти не мешают друг другу. Если такой газ нагреть до 2000 °C и выше или пропустить через него электрический разряд, он светится. В спектроскопе видны отдельные узкие линии на тёмном фоне — это линейчатый спектр. Например, соль в пламени окрашивает его в жёлтый цвет: молекулы распадаются, и атомы натрия дают две близкие жёлтые линии.
Главное: у каждого химического элемента свой набор линий. Двух элементов с одинаковыми линиями не бывает, как не бывает двух людей с одинаковыми отпечатками пальцев.
Полосатый спектр
Если светятся не отдельные атомы, а молекулы, линий становится очень много, и они собираются в группы — полосы, разделённые тёмными промежутками. Такой спектр называют полосатым.
Сплошные, линейчатые и полосатые спектры, которые даёт светящееся вещество, называют спектрами испускания.
Спектр поглощения
Пропустим свет раскалённой лампы (сплошной спектр) через сосуд с парами натрия, которые холоднее нити. На радужной полосе появится тёмная линия — ровно там, где у натрия была жёлтая линия испускания. Это линейчатый спектр поглощения: радуга с тёмными линиями.
Густав Кирхгоф установил закон: атомы данного элемента поглощают световые волны тех же частот, на которых они излучают. Условие опыта: источник должен быть ярче и горячее поглощающего газа.
Спектральный анализ
Раз набор линий уникален, по спектру можно узнать, из чего состоит вещество. Спектральный анализ — определение химического состава вещества по его линейчатому спектру. Образец испаряют в пламени или электрическом разряде, фотографируют спектр и сравнивают линии с таблицами. По яркости линий судят о количестве элемента. Метод очень чувствительный — замечает около \(10^{-10}\) г вещества — и работает на любом расстоянии: так узнают состав звёзд.
Величины и единицы
Положение линии задают длиной волны \(\lambda\) (в метрах, чаще в нанометрах: 1 нм \(= 10^{-9}\) м) или частотой \(\nu\) (в герцах). Они связаны со скоростью света \(c = 3 \cdot 10^8\) м/с формулой \(c = \lambda\nu\). Видимый свет — это \(\lambda\) примерно от 400 нм (фиолетовый) до 750 нм (красный).
Как решать задачи
- Определите, что излучает свет: твёрдое или жидкое тело, плотный газ (спектр сплошной), разреженный атомарный газ (линейчатый) или молекулы (полосатый).
- Если свет от горячего источника проходит через более холодный газ — ждите спектр поглощения: тёмные линии на местах линий испускания этого газа.
- Чтобы узнать элемент, сравните длины волн линий с таблицей: совпадение всех линий набора — признак элемента.
- Для перевода длины волны в частоту и обратно используйте \(c = \lambda\nu\), переводя нанометры в метры.
Разобранные примеры
Какой спектр у источника
Какие спектры дадут: раскалённый докрасна гвоздь, лампа с разреженными парами ртути, расплавленный воск горящей свечи вместе с её пламенем?
Гвоздь — раскалённое твёрдое тело, спектр сплошной. Пары ртути разрежены, атомы изолированы, спектр линейчатый. Пламя свечи светится за счёт раскалённых частичек сажи, поэтому спектр сплошной.
Частота красной линии лития
Литий окрашивает пламя в красный цвет, его яркая линия имеет длину волны 671 нм. Найдите частоту этого света.
- \(\lambda = 671\) нм \(= 6{,}71 \cdot 10^{-7}\) м
- \(c = 3 \cdot 10^8\) м/с
- \(\nu\)
Число попадает в видимый диапазон ближе к красному краю — так и должно быть.
Что в атмосфере звезды
В спектре звезды на радужном фоне видны тёмные линии 656, 486 и 434 нм. Линии испускания водорода — 656, 486, 434 нм, гелия — 588, 502, 668 нм. Какой газ есть во внешних слоях звезды и почему линии тёмные?
Все три тёмные линии совпадают с линиями испускания водорода, ни одна не совпадает с линиями гелия. По закону Кирхгофа газ поглощает те же частоты, которые излучает, значит, свет проходит через водород. Линии тёмные, потому что внешние слои звезды холоднее её глубоких слоёв: горячие недра дают сплошной спектр, а более холодный газ снаружи «вырезает» из него свои частоты.
Типичные ошибки
Кажется, что тёмные линии — отдельный, «чужой» набор. Но закон Кирхгофа говорит, что атом поглощает ровно те частоты, которые излучает.
Тёмные линии поглощения элемента стоят точно на местах его ярких линий испускания. Сравните полосы на схеме: положение линий одно и то же.
Линии дают только изолированные атомы. В плотном газе под большим давлением атомы сильно взаимодействуют, и спектр становится сплошным.
Линейчатый спектр — у разреженных газов и паров. Плотный газ, жидкость и твёрдое тело при высокой температуре дают сплошной спектр.
Если газ горячее источника, он сам ярко светится, и тёмных линий не будет.
Для линейчатого спектра поглощения свет должен идти от более яркого и горячего источника со сплошным спектром через более холодный разреженный газ.
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Какой спектр даёт раскалённая нить лампы накаливания?
Показать ответ
Ответ: Б) Сплошной
Нить — раскалённое твёрдое тело, атомы в нём сильно взаимодействуют, поэтому спектр сплошной.
-
Какие источники дают линейчатый спектр испускания?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Пары натрия в пламени спиртовки; Б) Разреженный неон в газоразрядной трубке; Д) Разреженный водород при электрическом разряде
Линейчатый спектр излучают изолированные атомы — светящиеся газы и пары малой плотности. Расплав и нить дают сплошной спектр.
-
Свет имеет частоту 5·10¹⁴ Гц. Какова его длина волны в нанометрах? Скорость света 3·10⁸ м/с.
Показать ответ
Ответ: 600
\(\lambda = c/\nu = 3 \cdot 10^8 / (5 \cdot 10^{14}) = 6 \cdot 10^{-7}\) м, то есть 600 нм.
-
Что утверждает закон Кирхгофа для линейчатых спектров?
Показать ответ
Ответ: А) Атомы поглощают свет тех же частот, на которых излучают
Поэтому тёмные линии поглощения элемента стоят точно на местах его ярких линий испускания.
-
Что можно узнать с помощью спектрального анализа?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) Химический состав атмосферы звезды; Б) Примерное количество элемента в образце по яркости линий; В) Скорость далёкой галактики по смещению линий
Спектр показывает, какие атомы излучают или поглощают свет, яркость линий — сколько их, а смещение линий — движение источника. Форму кристаллов спектр не показывает.
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
Какой спектр увидят в спектроскопе от трёх источников — раскалённой спирали тостера, газоразрядной трубки с разреженным неоном и расплавленного стекла в печи?
Подсказка
Важно, чем светится вещество — твёрдым или жидким телом либо разреженным газом.
Решение
Спираль и расплавленное стекло — твёрдое и жидкое раскалённые тела, их атомы сильно взаимодействуют, поэтому спектр сплошной. Разреженный неон состоит из изолированных атомов, они дают линейчатый спектр.
Ответ
Жёлтая линия в спектре натрия имеет длину волны 589 нм. Найдите частоту этого света. Скорость света 3·10⁸ м/с.
Подсказка
Длина волны, частота и скорость связаны формулой \(c = \lambda\nu\).
Решение
\(\nu = \dfrac{c}{\lambda} = \dfrac{3 \cdot 10^8}{589 \cdot 10^{-9}} \approx 5{,}09 \cdot 10^{14}\) Гц.
Ответ
Голубая линия в спектре водорода имеет частоту 6,17·10¹⁴ Гц. Какова её длина волны в нанометрах? Скорость света 3·10⁸ м/с.
Решение
\(\lambda = \dfrac{c}{\nu} = \dfrac{3 \cdot 10^8}{6{,}17 \cdot 10^{14}} \approx 4{,}86 \cdot 10^{-7}\) м \(= 486\) нм.
Ответ
Свет лампы накаливания пропустили через стеклянную колбу с холодным разреженным водородом и направили в спектроскоп. Что будет видно? Что изменится, если колбу убрать?
Решение
Лампа даёт сплошной спектр. Холодный водород поглощает свет тех частот, которые сам излучает, поэтому на радужной полосе появятся тёмные линии на местах линий водорода — линейчатый спектр поглощения. Без колбы останется чистый сплошной спектр.
Ответ
В спектре поглощения облака газа видны тёмные линии с длинами волн 589 нм, 656 нм и 486 нм. Линии испускания натрия — 589 нм, водорода — 656, 486 и 434 нм, лития — 671 нм. Какие элементы есть в облаке? Почему можно сказать уверенно только про те, чьи линии найдены?
Решение
По закону Кирхгофа атомы поглощают свет тех же частот, что и излучают. Линия 589 нм совпадает с линией натрия, линии 656 и 486 нм — с линиями водорода. Линии лития 671 нм нет, значит, лития в облаке нет или его слишком мало. Линия водорода 434 нм может быть слабой, но двух совпадений уже достаточно. Вывод делают только по совпавшим линиям, потому что набор линий у каждого элемента свой, как отпечаток пальца.
Ответ
Спектральный анализ позволяет обнаружить элемент массой от 10⁻¹⁰ г. В пробе массой 2 мг примесь серебра составляет 0,00001 % массы. Найдите массу серебра в граммах и выясните, заметит ли его анализ.
Подсказка
Переведите миллиграммы в граммы, а проценты — в доли.
Решение
\(m = 2 \cdot 10^{-3}\) г, доля \(0{,}00001\,\% = 10^{-7}\). Масса серебра \(m_{\text{Ag}} = 2 \cdot 10^{-3} \cdot 10^{-7} = 2 \cdot 10^{-10}\) г. Это в 2 раза больше порога \(10^{-10}\) г, поэтому серебро обнаружат.
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Возьмите старый компакт-диск и посмотрите под углом на отражение обычной лампы накаливания или солнечного неба — будет сплошная радуга. Потом посмотрите так же на экономичную (люминесцентную) лампу или неоновую вывеску — появятся отдельные яркие полоски. Объясните: горячее твёрдое тело светит «всеми цветами сразу», а газ в лампе — только «своими» цветами, и по ним можно узнать, какой это газ. Сравните с отпечатками пальцев.
Вопросы для проверки понимания: 1) Почему спектр лампы накаливания сплошной, а неоновой трубки — из линий? 2) Что будет, если белый свет пропустить через холодный разреженный газ? 3) Как учёные узнали, из чего состоят звёзды, если туда нельзя слетать?
На что обратить внимание. Ребёнок должен чётко связывать тип спектра с состоянием вещества (твёрдое и жидкое — сплошной, разреженный газ — линейчатый) и понимать, что линии поглощения и испускания одного элемента совпадают.
Где в учебниках
| Учебник | Параграф | Упражнения |
|---|---|---|
| Физика. 9 класс (Перышкин, Гутник) | § 50 | — |