Лекция 5. Спектры. Дисперсионный спектроскоп

Спектр, в котором имеются все длины волн, постепенно перехо­дящие одна в другую, называется непрерывным, или сплошным. Подобные спектры изображены схематически (в черно-белом тоне) на рис. 5.1, поз. 5 и 9. Такие спектры имеют излучения раскаленных твердых и жидких тел, а также газов при высоком давлении.

Монохроматическое излучение имеет спектр в виде одной узкой линии. Излучение, состоящее из нескольких монохроматических волн, дает линейчатый спектр. Линейчатые спектры характерны для излучения газов и паров металлов в атомарном состоянии. Например, пары натрия имеют в видимой части спектра две близко располо­женные желтые линии (поз. 1 на рис. 5.1), водород — четыре линии: красную, голубую и две фиолетовых (поз. 2). В видимой части спектра паров ртути наиболее яркие линии: оранжевая, желтая, зеленая, голубая и фиолетовые (поз. 3).
Длины волн, соответствующие этим линиям, указаны в таблице;

Таблица 5.1. Длин волн в видимой части спектра.

Вещество	Линия спектра		А, нм
Натрий (Na)	Желтая	589,6;	589,0
Водород (Н)	Красная	656,5
	Голубая	486,3
	Фиолетовая	434,2;	410,3
Ртуть (Hg)	Оранжевая	612,3
	Желтая	579,1;	577,0
	Зеленая	546,1
	Голубая	491,6
	Фиолетовая	435,8; \	433,9; 407,8; 404,7; 390,6.

Рисунок 5.1. Дисперсионный спектр.

Спектры, образуемые излучением нагретых тел или излучением при электрическом разряде в атмосфере паров и газов, называются спектрами испускания, или эмиссионными.

Простейший призменный спектроскоп — двухтрубный (рис. 5.2, б), состоит и5 основания О, на котором укреплен горизонтальный диск Д с делениями. В центре диска расположена призма Я, а по краям — две трубы: коллиматор К и зрительная 3. Последняя может устанав­ливаться под необходимым углом с помощью винта В. Коллиматор (рис. 5.2, а) имеет на конце щель Щ, около которой помещается источ­ник света: линза О₁ образует пучок параллельных лучей, которые падают на призму П. Это необходимо для того, чтобы лучи, прошедшие через призму, состояли также из параллельных пучков, которые фокусируются объективом О₂ зрительной трубы. После преломления на гранях призмы П лучи образуют пучки параллельных цветных лучей, каждый из которых направлен под не­сколько отличным углом. Пучки фокусируются объективом зрительной трубы в его фокальной плоскости FF' (см. рис. 5.2, а) и образуют каждый изображение щели соответствующего цвета, которое назы­вается спектральной линией. Совокупность этих линий образует полный спектр исследуемого света, который наблюдается в увели­ченном виде через окуляр Ок.

Рисунок 5.3. Трехтрубный спектроскоп и ход лучей.

Применяются также трехтрубные спектроскопы (рис. 5.3, б; ход лучей на рис. 5.3, а). В них имеется третья труба Т, с помощью ко­торой в фокальной плоскости зрительной трубы проецируется про­зрачная шкала N' с делениями. При градуировке спектроскопа отме­чают деления этой шкалы, которым соответствуют спектральные линии известного источника. Затем по этой же шкале определяются длины волн исследуемых линий.

При научных исследованиях спектры фотографируются. Для этого служит прибор, называемый спектрографом (рис. 5.4, а - общий вид, рис. 5.4, б - схема устройства). Свет через щель Д и линзу Л_х, обра­зующую пучок параллельных лучей, падает на дисперсионную призму П. Параллельные пучки спектрально разложенного света фокуси­руются линзой Л₂ на фотопластинке Ф.

Пользуясь спектральным прибором, можно получить монохрома­тический свет необходимой длины волны. Для этого в фокальной плоскости второй линзы Л₂ помещают щелевую диафрагму, с помощью которой и выделяют из спектра желаемую линию. Такой прибор называется монохроматором.

Если белый свет проходит сквозь какую-либо достаточно прозрач­ную среду, то некоторые из составляющих его простых волн могут поглощаться средой более интенсивно, чем другие, и тогда в сплош­ном спектре белого света в определенных местах появляются линии или полосы затемнения, характерные для данной среды. Совокупность темных линий или полос, образующихся в сплошном спектре белого света при прохождении его сквозь данную прозрачную среду, назы­вается ее спектром поглощения, или абсорбционным спектром.

Более общее определение: спектром поглощения данной среды называется совокупность простых электромагнитных волн, погло­щенных из белого света при прохождении его через эту среду.

Рисунок 5.4. Спектрограф.

Для получения спектра поглощения в спектроскопе между источ­ником белого света (например, электрической дугой) и щелью кол­лиматора помещается исследуемая среда, например плоскопарал­лельная кювета с исследуемым раствором.

Пары или газы поглощают излучение тех же длин волн, которые они испускают в возбужденном состоянии (закон Кирхгофа). Такие спектры называются обращенными (см., например, спектр поглощения паров натрия — поз. 6 на рис. 5.1); на поз. 7 показан сплошной спектр испускания Солнца, на котором имеются темные линии (линии Фраунгофера) спектров поглощения паров и газов, составляющих его атмосферу.

В качестве примера спектра поглощения вещества со сложной молекулой на поз. 8 рис. 5.1 показан спектр оксигемоглобина (ра­створ свежей артериальной крови в воде); в нем имеются две полосы затемнения в желтой и зеленой частях, а также широкая полоса в сине-фиолетовой части спектра.

Спектры (как эмиссионный, так и абсорбционный) тесно связаны со строением атомов и молекул вещества. Поэтому по их характеру можно судить о природе и составе как простых, так и сложных веществ. Метод качественного или количественного (по интенсивности линий) определения состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. Основное преимущество его в том, что для анализа требуется исключительно малое количество вещества. Путем спектрального анализа может быть обнаружено присутствие вещества в количестве до 10^-8 г. С помощью спектрального анализа, например, было установлено, что живые организмы содержат в крайне незначительных количествах многие металлы — кобальт, хром, титан и др. Спектральный анализ позволяет установить следы крови (су­дебная медицина), микропримеси металлов в консервированных про­дуктах (пищевая гигиена и т. п.).

Для исследования молекулярного состава органических веществ применяют абсорбционную спектроскопию, обычно при этом иссле­дуемое вещество растворяют в воде, которая сама не дает спектра поглощения в области видимого света. С помощью абсорбционной спектроскопии был установлен молекулярный состав многих вита­минов, гормонов и т. п.

Ощущение цвета тела зависит от спектра излучения (в видимой его части), которое попадает в глаз при наблюдении тела. В случае самосветящихся тел спектр излучения зависит от природы тела, условий, вызывающих излучение, и т. д.

Большая часть окружающих тел — несамосветящиеся (освещенные) тела. Они видимы только в отраженном или проходящем свете от постороннего источника. Тела, равномерно пропускающие любые волны видимого спектра, называются прозрачными, или бесцветными (таковы большинство газов, чистая вода или простое стекло в слое небольшой толщины и др.).

Если тело равномерно и почти полностью поглощает все волны видимого спектра, оно называется черным (например, сажа, черный бархат и др.). Тела, диффузно и почти полностью отражающие все волны видимого спектра при падении на них белого света, представ­ляются глазу белыми (окись магния, меловая бумага).

Большинство тел неравномерно поглощают волны различной длины. У некоторых тел, поглощение происходит избирательно, т. е. в узком интервале частот или длин волн. Если на тело, избирательно поглощающее волны определенной длины, падает белый свет, то свет, отраженный или прошедший сквозь него, будет отличаться от белого и восприниматься глазом как цветной. Соответствующим цветом мы наделяем и само тело. Большое разно­образие пределов избирательного поглощения у различных веществ обусловливает то богатство и разнообразие цветов и красок, которое наблюдается в окружающем мире.

Если падающий на непрозрачное тело свет по спектральному составу отличается от белого света, то эти тела изменяют привычный цвет. Например, в желто-зеленых лучах красная бумага наблюдается черной и т. д.

Прозрачные, содержащие примесь красящего вещества стекла и пленки, пропускают свет только в узком спектральном интервале. Они называются светофильтрами и широко применяются на практике для получения достаточно монохроматического излучения.

Литература: 2 осн. [397-402].

Контрольные вопросы.

1. Что такое спектр?

2. Перечислите виды спектров?

3. Что такое концентрационное колометрия?

4. Что такое спектральная линия?

5. Что такое черное тело?