Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на несколько типов:
Непрерывные спектры. Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным. Это означает, что в спектре представлены волны всех длин. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу.
Распределение энергии по частотам, т.е. спектральная плотность интенсивности излучения, для различных тел различно. Например, тело с очень черной поверхностью излучает электромагнитные волны всех частот, но кривая зависимости спектральной плотности интенсивности излучения от частоты имеет максимум мри определенной частоте. Энергия излучения, приходящаяся на очень малые и очень большие частоты, ничтожно мала. При повышении температуры максимум спектральной плотности излучения смещается в сторону коротких волн.
Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.
Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.
Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.
Линейчатые спектры. Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли.
При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет яркая желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени. Каждый из них - это частокол цветных линий различной яркости, разделенных широкими темными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая линия имеет конечную ширину.
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 строго определенные длины волн. Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.
При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.
Полосатые спектры. Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.
Спектры поглощения. Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету, и поглощает все остальные.
Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения. Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и столько же видов спектров поглощения.
Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг к изучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность «заглянуть» внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомной физикой.
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.
Спектральный анализ подразделяют на несколько самостоятельных методов. Среди них выделяют: инфракрасную и ультрафиолетовую спектроскопию, атомно-абсорбционный, люминесцентный и флуоресцентный анализ, спектроскопию отражения и комбинационного рассеяния, спектрофотометрию, рентгеновскую спектроскопию, а также ряд других методов.
Абсорбционный спектральный анализ основан на изучении спектров поглощения электромагнитного излучения. Эмиссионный спектральный анализ проводится по спектрам испускания атомов, молекул или ионов, возбужденных различными способами.
Атомно-эмиссионный спектральный анализ
Спектральным анализом часто называют только атомно-эмиссионный спектральный анализ, который основан на исследовании спектров испускания свободных атомов и ионов в газовой фазе. Его проводят в области длин волн 150-800 нм. В источник излучения вводят пробу исследуемого вещества, после чего в нем происходит испарение и диссоциация молекул, а также возбуждение образовавшихся ионов. Они испускают излучение, которое фиксируется регистрирующим устройством спектрального прибора.
Работа со спектрами
Спектры проб сравнивают со спектрами известных элементов, которые можно найти в соответствующих таблицах спектральных линий. Так узнают состав анализируемого вещества. Количественный анализ подразумевает концентрации данного элемента в анализируемого веществе. Ее узнают по величине сигнала, например, по степени почернения или оптической плотности линий на фотопластинке, по интенсивности светового потока на фотоэлектрическом приемнике.
Виды спектров
Непрерывный спектр излучения дают вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также плотные газы. В таком спектре нет разрывов, в нем представлены волны всех длин. Его характер зависит не только от свойств отдельных атомов, но и от их взаимодействия друг с другом.
Линейчатый спектр излучения характерен для веществ в газообразном состоянии, при этом атомы почти не взаимодействуют друг с другом. Дело в том, что изолированные атомы одного химического элемента излучают волны строго определенной длины волны.
При увеличении плотности газа спектральные линии начинают расширяться. Для наблюдения такого спектра используют свечение газового разряда в трубке или паров вещества в пламени. Если пропускать белый свет через неизлучающий газ, на фоне непрерывного спектра источника появятся темные линии спектра поглощения. Газ интенсивнее всего поглощает свет тех длин волн, которые он испускает в нагретом состоянии.
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.