Как рождается свет
Свет возникает благодаря движению заряженных частиц, в основном электронов, в атомах. При переходах между энергетическими уровнями внутри атома электроны могут либо поглощать, либо излучать энергию в виде фотонов — мельчайших частиц света.
Когда электрон, например, получает дополнительную энергию при нагреве или поглощении света, он переходит на более высокий энергетический уровень. Затем, возвращаясь обратно, он выделяет накопленную энергию, и этот выброс становится квантовой единицей света — фотоном.
Источники света, спектр
Источником света может стать любой объект, который может инициировать подобные переходы электронов. К основным источникам относятся:
- Нагретые тела — например, солнце, звезды, лампы накаливания. Их атомы при нагревании излучают свет, создавая поток фотонов.
- Химические реакции — как в случае с огнём или светящимися веществами, где свет излучается за счёт химических изменений.
- Электрический разряд — как в неоновых лампах или молниях, где электроны ускоряются и возбуждают атомы газа, которые затем излучают свет.
- Флуоресценция и люминесценция — такие явления возникают в веществах, которые поглощают свет и затем излучают его в течение некоторого времени, например, светящиеся в темноте игрушки.
Как правило, нагретые до высокой температуры тела и вещества становятся источниками «белого» света, который можно разложить на полный спектр.
Интересный факт
Наш мозг воспринимает только часть электромагнитного спектра как свет (видимый свет), хотя фотон может нести энергию и в форме невидимых инфракрасных или ультрафиолетовых волн.
Увидеть спектр можно, проделав лёгкий опыт: пропустить световой луч через стеклянную призму. Тогда свет преломится и разложится на спектр, который будет выглядеть как радуга. Это явление разложения света называется дисперсией.
Дисперсию как явление открыл и описал Исаак Ньютон, проделав подобный опыт со стеклянной призмой и лучом света.
Линейный и непрерывный спектры
В случае с опытом, описанным выше, мы можем наблюдать непрерывный спектр, так как в нём присутствуют все длины волн видимого диапазона — от красной границы до фиолетовой.
В некоторых случаях можно получить совсем другую картину: если мы рассмотрим свечение разрежённых газов, то спектр будет обрывистым, показываться полосками.
Разрёженный газ — это газ, в котором плотность молекул настолько мала, что взаимодействие между ними происходит редко.
Разреженные газы часто можно встретить в условиях высокого вакуума или в атмосфере на больших высотах, где давление и плотность газа сильно снижены.
Спектр испускания
Спектры испускания — это уникальные световые «подписи», которые возникают, когда атомы или молекулы вещества нагреваются или подвергаются воздействию электричества, заставляя их испускать свет на определённых длинах волн.
Когда атомы вещества переходят из возбуждённого состояния обратно в стабильное, они теряют избыточную энергию, испуская свет. Этот свет разлагается на спектр, и каждый элемент имеет свой характерный спектр, который можно сравнить с отпечатком пальца: он уникален для каждого вещества. Именно поэтому, наблюдая спектры испускания, можно определить химический состав звёзд или газовых облаков.
Интересный факт
Яркие цвета фейерверков — это результат испускания света атомами металлов, нагретых до высокой температуры. Например, медь даёт синий цвет, а стронций — красный.
Спектр поглощения
Спектры поглощения — это спектры, которые возникают, когда вещество поглощает световые волны определённых длин.
Если свет, состоящий из всех длин волн, например, белый, проходит через холодное вещество, атомы этого вещества могут поглощать свет на конкретных длинах волн, строго определённых для данного газа.
То есть газ изымает из непрерывного спектра ровно те самые длины волн, которые излучает сам! Тёмные линии в спектре поглощения газа в точности соответствуют ярким линиям его спектра испускания.
Проанализируем сравнительную таблицу спектров поглощения и испускания.
|
Характеристика |
Спектры испускания |
Спектры поглощения |
|---|---|---|
|
Определение |
Испускание света на характерных длинах волн при переходе из возбуждённого состояния |
Поглощение света на определённых длинах волн при прохождении через вещество |
|
Вид спектра |
Яркие линии на тёмном фоне |
Тёмные линии на фоне цветного спектра |
|
Пример |
Газовый разряд в лампе |
Свет звезды, проходящий через газ |
|
Применение |
Определение состава звёзд, анализ нагретых газов |
Исследование состава атмосферы планет и межзвёздных облаков |
Получи больше пользы от Skysmart:
-
Подтяни оценки на курсах по физике.
-
Выбирай из 890+ репетиторов по физике.
Записывайся на бесплатные курсы для детей.
Спектральный анализ
Спектральный анализ — это метод, который помогает учёным определять состав вещества по его спектру, будь то спектр испускания или поглощения.
Поскольку каждый химический элемент испускает или поглощает свет на строго определённых длинах волн, учёные могут «читать» эти линии как код и точно узнать, какие элементы находятся в составе вещества. Даже если это вещество находится на далёких расстояниях, как звёзды и планеты.
В спектральном анализе используется прибор — спектроскоп, который разлагает свет на спектр. Когда свет проходит через призму или дифракционную решётку в спектроскопе, он разделяется на длины волн. Учёные затем сравнивают полученные спектры с известными «подписями» элементов, чтобы идентифицировать присутствующие вещества.
Связанные с темой физические величины и формулы
|
Энергия E |
Выражается в джоулях (Дж) |
|
Длина волны λ |
Измеряется в метрах (м) или чаще в нанометрах (нм) для задач со светом. |
|
Частота ν |
Измеряется в герцах (Гц) |
|
Скорость света c |
Примерно 3 × 108 м/с в вакууме. |
|
Постоянная Планка h |
6,626 × 10−34 Дж · с. |
|
Масса электрона me |
9,1 × 10−31 кг. |
|
Заряд электрона e |
1,6 × 10−19 Кл. |
|
Формула связи энергии и длины волны фотона |
|
|
Уравнение Бора для водородоподобных атомов (при переходе электрона между уровнями) |
|
|
Разность энергии при переходе электрона между уровнями |
|
Примеры решения задач
Задача 1
На рисунке показаны спектры излучения паров химических элементов. Какой из газов содержит образец Б?
Решение:
Сравним спектр излучения газа Б с другими спектрами, как будто наложим рисунки один на другой. Линии в спектре газа Б частично совпадают только со спектром газа А.
Ответ: А
Задача 2
На рисунке изображена упрощённая диаграмма нижних энергетических уровней атома. Нумерованными стрелками отмечены некоторые возможные переходы атома между этими уровнями. Какой из этих четырёх переходов связан с поглощением света наименьшей частоты, а какой — с излучением света наибольшей частоты?
Установите соответствие между процессами поглощения и испускания света и стрелками, указывающими энергетические переходы атома. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
|
Процессы |
Энергетические переходы |
|---|---|
|
А) излучение света наименьшей частоты Б) поглощение света наибольшей частоты |
|
Решение:
Излучению света соответствует переход вниз, меньшей частоте соответствует меньшая стрелка.
Поглощению света соответствует переход вверх, большей частоте соответствует большая стрелка.
Ответ: А — 1, Б — 4.
Задача 3
На рисунке представлена диаграмма энергетических уровней атома. В первом эксперименте регистрируют излучение, связанное с переходом атома с уровня Е7 на уровень Е2, а во втором эксперименте — связанное с переходом атома с уровня Е2 на уровень Е1.
Как изменяются во втором опыте по сравнению с первым частота излучения и длина волны излучения? Для каждой величины определите соответствующий характер изменения.
- Увеличится.
- Уменьшится.
- Не изменится.
|
Частота излучения |
Длина волны |
|---|---|
Решение:
- Вспомним второй постулат Бора:
- Длина волны обратно пропорциональна частоте излучения. Раз частота уменьшится, то длина волны увеличится.
Ответ: 21
Линейчатые спектры — это настоящий ключ к тайнам вселенной и основа для множества удивительных открытий. Если вы хотите глубже разобраться в этой теме и уверенно чувствовать себя на экзамене, присоединяйтесь к курсу подготовки к ЕГЭ по физике в онлайн-школе Skysmart! На наших занятиях вы узнаете все о спектрах, научитесь применять законы физики к реальным задачам и получите поддержку в подготовке к экзамену.
