Физика 11 класс "Виды излучений. Виды спектров и спектральный анализ. Спектральные аппараты"

Виды излучений. Виды спектров и спектральный анализ.

Спектральные аппараты.

Физика 11класс

Свет

• Свет – это электромагнитная волна
• Длина световой волны от 4 ·10 -7 м до 8·10 -7 м
• Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц

Излучения атома

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

Тепловое излучение

• Это самый распространенный и простой вид излучения.
• Тепловыми источниками излучения являются: Солнце, пламя свечи, лампа накаливания.

Электролюминесценция

• Это явление наблюдается при разряде в газах, при котором возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн. Благодаря этому разряд в газе сопровождается свечением.

Катодолюминесценция

• Это свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами. Благодаря катодолюминесценцисветятся экраны электронно – лучевых трубок телевизоров .

Хемилюминесценция

• При некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на излучение света, причем источник света остается холодным. Примеры: светлячок, светящаяся грибница, кальмар, медуза

Фотолюминесценция

Под действием падающего излучения, атомы вещества возбуждаются и после этого тела высвечиваются.

Например: светящиеся краски

Спектры и спектральные аппараты

Распределение энергии в спектре

• Ни один из источников не дает монохроматического света, т. е. света строго определенной длины волны.
• Энергия, которую несет с собой свет от источника, распределена по волнам всех длин волн (или частотам), входящим в состав светового пучка.

Распределение энергии в спектре

• Величина, характеризующая распределение излучения по частотам называется спектральной плотностью потока излучения - интенсивность, приходящаяся на единичный интервал частот.

Зависимость спектральной плотности интенсивности излучения от частоты

Виды спектров

Непрерывные спектры

В спектре представлены волны всех длин волн. В спектре нет разрывов.

Энергия излучения, приходящаяся на очень малые (ν → 0) и очень большие (ν → ∞ ) частоты, ничтожно мала. При повышении температуры тела максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.

Непрерывные спектры

• Непрерывные (или сплошные) спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, сильно сжатые газы и высокотемпературная плазма .

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

Линейчатые спектры

• спектры, состоящие из отдельных линий.

Примерное распределение спектральной плотности интенсивности излучения в линейчатом спектре.

Каждая линия имеет конечную ширину.

Линейчатые спектры

• 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 излучают свет строго определенных длин волн .

Полосатые спектры

• Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. Каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий.
• Полосатые спектры образуются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.

Спектры поглощения

• Темные линии на фоне непрерывного спектра — это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения .

Спектры поглощения

• Вещество поглощает те линии спектра, которые и испускает, являясь источником света. Спектры поглощения получают, пропуская свет от источника, дающего сплошной спектр, через вещество, атомы которого находятся в невозбужденном состоянии.

Виды спектров

Рентгеновские спектры

• Большую роль в выяснении строения атома, а именно распределения электронов по оболочкам, сыграло излучение, открытое в 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном (1845—1923).
• Самым распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод, испытывая на нем резкое торможение. При этом возникает рентгеновское излучение, представляющее собой электромагнитные волны. Волновая природа рентгеновского излучения доказана опытами по его дифракции.

Рентгеновские спектры

• В рентгеновской трубке разность потенциалов между катодом и анодом-мишенью (десятки киловольт) ускоряет электроны, бомбардирующие анод. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых электронов в электрическом поле атомов вещества анода ( тормозное излучение) или при перестройке внутренних оболочек атомов ( характеристическое излучение ).

Рентгеновские спектры

• Исследование спектрального состава рентгеновского излучения показывает, что его спектр имеет сложную структуру и зависит как от энергии электронов, так и от материала анода.
• Спектр представляет собой наложение сплошного спектра, ограниченного со стороны коротких длин волн некоторой границей ν min , называемой границей сплошного спектра, и линейчатого спектра — совокупности отдельных линий, появляющихся на фоне сплошного спектра.

Рентгеновские спектры

Спектр испускания представляет собой совокупность нескольких монохроматических линий, имеющих вид острых пиков на фоне непрерывного спектра. Электромагнитное излучение,

соответствующее острым пикам интенсивности, положение которых зависит только от природы вещества анода, называют характеристическим рентгеновским спектром , а совокупность длин волн, соответствующих максимумам интенсивности, составляет линейчатый рентгеновский спектр вещества анода.

Типичная спектральная кривая для рентгеновского излучения

Характер непрерывного спектра не зависит от вещества анода, а зависит от кинетической энергии бомбардирующих его электронов. Непрерывный спектр излучается электронами пучка при их торможении веществом и называют тормозным спектром .

Рентгеновские спектры

• Исследования показали, что характер сплошного спектра совершенно не зависит от материала анода, а определяется только энергией бомбардирующих анод электронов.
• Детальное исследование свойств этого излучения показало, что оно испускается бомбардирующими анод электронами в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени. Сплошной рентгеновский спектр поэтому называют тормозным спектром . Этот вывод находится в согласии с классической теорией излучения, так как при торможении движущихся зарядов должно действительно возникать излучение со сплошным спектром.
• Граница спектра λ min соответствует случаю, когда вся энергия электрона переходит в энергию излучаемого рентгеновского кванта.

Характеристические спектры

• Характеристическое рентгеновское излучение имеет не

сплошной, а линейчатый спектр.

• Электрон, падающий на материал анода, может выбить

электрон с одной из внутренних оболочек атома, в результате чего в ней образуется вакантное квантовое состояние. Электроны с более удаленных от ядра оболочек,

обладающих более высокой энергией, могут перейти в

освободившееся состояние. В результате этого перехода

испускается квант излучения, соответствующий

рентгеновской области. Поэтому характеристическое рентгеновское излучение имеет линейчатый спектр.

• Линии спектра характеристического излучения разных химических элементов имеют одинаковый вид, поскольку структура их внутренних электронных орбитальных идентична.

Характеристические спектры

• Так как характеристический спектр состоит из отдельных линий, поэтому, характеристическое излучение имеет квантовую природу: каждая линия рентгеновского спектра возникает в результате перехода атома из одного энергетического состояния в другое, а частота излучения определяется правилом частот Бора.

• Рентгеновское излучение характеризуется длинами волн, находящихся в диапазоне (10 -12 ÷ 10 -9 ) м. В процессе испускания характеристического излучения разность энергий атома в начальном и конечном состояниях очень велика. Для атомов тяжѐлых элементов она во много раз больше соответствующей разности в оптической области спектра. Это объясняется тем, что квантовые переходы, соответствующие испусканию рентгеновского излучения, совершаются внутренними, а не валентными электронами атома.

Спектральный анализ

• Спектральный анализ — метод определения химического состава вещества по его спектру.
• Главное свойство линейчатых спектров- длины волн (или частоты) линейчатого спектра 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.

Спектральный анализ

• Разработан в 1859 году немецкими учеными Кирхгофом и Бунзеном.

Роберт Вильгельм Бунзен

1811-1899

Густав Роберт

Кирхгоф

1824-1887

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 их спектров. Рубидий дает темно красные, рубиновые линии.

Спектральный анализ

• Спектральный анализ широко применяется при поисках полезных ископаемых для определения химического состава образцов руды.
• С его помощью контролируют состав сплавов в металлургической промышленности.
• На его основе был определен химический состав звезд и т.д. состав звезд и галактик можно узнать только с помощью спектрального анализа.

Спектральные аппараты

Спектральные аппараты - приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие (или почти не допускающие) перекрывания отдельных участков спектра.

Основной частью является призма или дифракционная решетка.

Спектрограф

• Спектральный аппарат, спектр в котором наблюдают на экране.

Коллиматор

Спектрограф

Спектроскоп

• Спектральный аппарат, спектр в котором наблюдают в зрительную трубу - спектроскоп.

• Спектрограф

HARPS

Спектрограф высокоразрешающий

NSI-800GS

Спектрограф/монохроматор

средней мощности

Спектрометр Varian 640-IR

Атомно-абсорбционный

спектрометр Квант-2А

Новый спектрограф

NIFS

Спасибо за внимание!