Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
Разгледзім схему будовы прызменнага спектральнага апарата (рыс. 150). Выпраменьванне, якое даследуецца, паступае спачатку ў частку прыбора, які называецца каліматарам. Каліма
171
тар — гэта труба, на адным канцы якой ёсць шырма з вузкай шчылінай, а на другім — збіраючая лінза Li. Шчыліна знаходзіцца на фокуснай адлегласці ад лінзы. Таму разыходны светлавы пучок, які пападае на лінзу са шчыліны, выходзіць з яе паралельным пучком і падае на прызму Р.
Паколькі розным частотам адпавядаюць розныя паказчыкі праламлення, то з прызмы выходзяць паралельныя пучкі, якія не супадаюць па напрамку. Яны падаюць на лінзу L2. На фокуснай адлегласці гэтай лінзы знаходзіцца экран — матавае шкло або фотапласцінка. Лінза L2 факусіруе паралельныя пучкі праменяў на экране, і замест аднаго відарыса шчыліны атрымліваецца цэлы рад відарысаў. Кожнай частаце (дакладней, вузкаму спектральнаму інтэрвалу) адпавядае свой відарыс. Усе гэтыя відарысы разам і ўтвараюць спектр.
Апісаны прыбор называецца спектрографам. Калі замест другой лінзы і экрана выкарыстоўваецца глядзельная труба для візуальнага назірання спектраў, то прыбор называецца спектраскопам. Прызмы і іншыя дэталі спектральных апаратаў неабавязкова робяцца са шкла. Замест шкла выкарыстоўваюцца і такія празрыстыя матэрыялы, як кварц, каменная соль і інш.
Вы пазнаёміліся з новай велічынёй — спектральнай шчыльнасцю інтэнсіўнасці выпраменьвання. Даведаліся, што знаходзіцца ўнутры кажуха спектральнага апарата.
« 1. Апішыце, як павінен быць пабудаваны спектральны апарат, у якім замест прызмы прымяняецца дыфракцыйная рашотка. 2. Для чаго даследуецца спектральны састаў выпраменьванняў? (Калі не можаце здагадацца, то даведаецеся з наступных параграфаў.)
§ 61. ВІДЫ СПЕКТРАЎ
Спектральны састаў выпраменьвання рэчываў вельмі разнастайны. Але, нягледзячы на гэта, усе спектры, як паказвае практыка, можна падзяліць на тры тыпы.
Неперарыўныя спектры. Сонечны спектр або спектр дугавога ліхтара з’яўляецца неперарыўным. Гэта азначае, што ў спектры ёсць усе даўжыні хваль. У спектры няма разрываў, і на экране спектрографа можна бачыць суцэльную рознакаляровую паласу (гл. рыс. V, 1 на каляровай уклейцы).
Размеркаванне энергіі па частотах, г. зн. спектральная шчыльнасць інтэнсіўнасці выпраменьвання, для розных цел розная. Напрыклад, цела з вельмі чорнай паверхняй выпраменьвае электрамагнітныя хвалі ўсіх частот, але крывая залежнасці спектральнай шчыльнасці ад частаты мае максімум пры пэўнай частаце утах (рыс. 151). Энергія выпраменьвання, якая прыпадае на вельмі малыя (v—>0) і вельмі вялікія (v>oo) частоты, неабме
172
Ю)
жавана малая. Пры павышэнні тэмпературы максімум спектральнай шчыльнасці выпраменьвання зрушваецца ў бок кароткіх хваль.
Неперарыўныя (або суцэльныя) спектры, як паказвае дослед, даюць целы, якія знаходзяцца ў цвёрдым або вадкім стане, а таксама ійчыльныя газы. Для атрымання неперарыўнага спектра трэба нагрэць цела да высокай тэмпературы.
Характар неперарыўнага спектра і сам факт яго існавання вызначаюцца не толькі ўласцівасцямі асобных выпраменьваючых атамаў, але і ў вялікай ступені залежаць ад узаемадзеяння атамаў адзін з адным.
Неперарыўны спектр дае таксама высокатэмпературная плазма. Электрамагнітныя хвалі выпраменьваюцца плазмай у асноўным пры сутыкненні электронаў з іонамі.
Лінейчастыя спектры. Унясём у бледнае полымя газавай гарэлкі кавалачак азбесту, змочанага растворам звычайнай кухоннай солі. Пры назіранні полымя ў спектраскоп на фоне ледзь распазнавальнага неперарыўнага спектра полымя ўспыхне яркая жоўтая лінія (рыс. V, 2 на каляровай уклейцы). Гэту жоўтую лінію дае пара натрыю, якая ўтвараецца пры расшчапленні малекул кухоннай солі ў полымі. На каляровай уклейцы паказаны таксама спектры вадароду і гелію. Кожны з іх — гэта частакол каляровых ліній рознай яркасці, падзеленых шырокімі цёмнымі палосамі. Такія спектры называюцца лінейчастымі. Наяўнасць лінейчастага спектра азначае, што рэчыва выпраменьвае святло толькі зусім пэўных даўжынь хваль (дакладней, у пэўных вельмі вузкіх спектральных інтэрвалах). На рысунку 152 вы бачыце прыкладнае размеркаванне спектральнай шчыльнасці інтэнсіўнасці выпраменьвання ў лінейчастым спектры. Кожная лінія мае канечную шырыню.
Лінейчастыя спектры даюць усе рэчывы. ў газападобным атамарным (але не малекулярным) стане. У гэтым выпадку святло выпраменьваюць атамы, якія практычна не ўзаемадзейнічаюць адзін з адным. Гэта самы фундаментальны, асноўны тып спектраў.
Ізаляваныя атамы выпраменьваюць строга пэўныя даўжыні хваль.
Звычайна для назірання лінейчастых спектраў выкарыстоўваюць свячэнне пары рэчыва ў полымі або свячэнне газавага разраду ў трубцы, што напоўнена газам, які даследуецца.
173
Пры павелічэнні шчыльнасці атамарнага газу асобныя спектральныя лініі пашыраюцца і, нарэшце, пры вельмі вялікай шчыльнасці газу, калі ўзаемадзеянне атамаў становіцца істотным, гэтыя лініі перакрываюць адна адну, утвараючы неперарыўны спектр.
Паласатыя спектры. Паласаты спектр складаецца з асобных палос, падзеленых цёмнымі прамежкамі. 3 дапамогай вельмі добрага спектральнага апарата можна заўважыць, што кожная паласа з’яўляецца сукупнасцю вялікага ліку вельмі цесна размешчаных ліній. У адрозненне ад лінейчастых спектраў паласатыя спектры ўтвараюцца не атамамі, а малекуламі, якія не звязаны або слаба звязаны адна з адной.
Для назірання малекулярных спектраў гэтак жа, як і для назірання лінейчастых спектраў, звычайна скарыстоўваюць свячэнне пары ў полымі або свячэнне газавага разраду.
Спектры паглынання. Усе рэчывы, атамы якіх знаходзяцца ва ўзбуджаным стане, выпраменьваюць светлавыя хвалі, энергія якіх пэўным чынам размеркавана па даўжынях хваль. Паглынанне святла рэчывам таксама залежыць ад даўжыні хвалі. Так, чырвонае шкло прапускае хвалі, якія адпавядаюць чырвонаму святлу (X « 8 • 10~5 см), і паглынае ўсе астатнія.
Калі прапускаць белае святло скрозь халодны, невыпраменьваючы газ, то на фоне неперарыўнага спектра крыніцы з’яўляюцца цёмныя лініі (рыс. V, 5—8 на каляровай уклейцы). Газ паглынае найбольш інтэнсіуна святло якраз тых даўжынь хваль, якія ён выпраменьвае ў моцна нагрэтым стане. Цёмныя лініі на фоне неперарыўнага спектра — гэта лініі паглынання, якія ўтвараюць у сукупнасці спектр паглынання.
Існуюць неперарыўныя, лінейчастыя і паласатыя спектры выпраменьвання і столькі ж відаў спектраў паглынання.
■ 1. Ці з'яўляецца спектр лямпачкі паглынання неперарыўным? 2. У чым заключаецца галоўнае адрозненне лінейчастых спектраў ад неперарыўных і паласатых?
§ 62. СПЕКТРАЛЬНЫ АНАЛІЗ
Лінейчастыя спектры адыгрываюць асоба важную ролю, таму што іх структура прама звязана з будовай атама. Гэтыя ж спектры ўтвараюцца атамамі, якія не знаходзяцца пад знешнімі ўздзеяннямі. Таму, знаёмячыся з лінейчастымі спектрамі, мы тым самым робім першы крок да вывучэння будовы атамаў. Назіраючы гэтыя спектры, вучоныя атрымалі магчымасць «зазірнуць» унутр атама. Тут оптыка ўшчыльную падыходзіць да атамнай фізікі.
Галоўная ўласцівасць лінейчастых спектраў заключаецца ў тым, што даўжыні хваль (або частоты) лінейчастага спектра
174
якоганебудзь рэчыва залежаць толькі ад уласцівасцей атамаў гэтага рэчыва, але зусім не залежаць ад спосабу ўзбуджэння свячэння атамаў. Атамы любога хімічнага элемента даюць спектр, не падобны на спектры ўсіх іншых элементаў: яны здольны спрамяняць строга пэўны набор даўжынь хваль.
На гэтым заснаваны спектральны аналіз — метад вызначэння хімічнага саставу рэчывапа яго спектру. Падобна да адбіткаў пальцаў у людзей, лінейчастыя спектры маюць непаўторную індывідуальнасць. Непаўторнасць узораў на скуры пальца дапамагае часта знайсці злачынца. Дакладна гэтак жа індывідуальнасць спектра дае магчымасць вызначыць хімічны састаў цела. 3 дапамогай спектральнага аналізу можна выявіць дадзены элемент у складаным рэчыве, калі нават яго маса не перавышае 10“10 г. Гэта вельмі адчувальны метад.
Колькасны аналіз саставу рэчыва па яго спектру цяжкаваты, паколькі яркасць спектральных ліній залежыць не толькі ад масы рэчыва, але і ад спосабу ўзбуджэння свячэння. Так, пры нізкіх тэмпературах многія спектральныя лініі наогул не з’яўляюцца. Аднак пры выконванні стандартных умоў узбуджэння свячэння можна праводзіць і колькасны спектральны аналіз.
У цяперашні час вызначаны спектры ўсіх атамаў і складзены табліцы спектраў. 3 дапамогай спектральнага аналізу былі адкрыты многія новыя элементы: рубідый, цэзій і інш. Элементам часта давалі назвы ў адпаведнасці з колерам найбольш інтэнсіўных ліній спектра. Рубідый дае цёмначырвоныя, рубінавыя лініі. Слова цэзій азначае «нябеснаблакітны». Гэта колер асноўных ліній спектра цэзію.
Іменна з дапамогай спектральнага аналізу даведаліся пра хімічны састаў Сонца і зорак. Іншыя метады аналізу тут зусім немагчымыя. Выявілася, што зоркі складаюцца з тых жа самых хімічных элементаў, якія ёсць і на Зямлі. Цікава, што гелій першапачаткова адкрылі на Сонцы і толькі затым знайшлі ў атмасферы Зямлі. Назва гэтага элемента напамінае аб гісторыі яго адкрыцця: слова гелій азначае ў перакладзе «сонечны».
Дзякуючы параўнальнай прастаце і універсальнасці спектральны аналіз з’яўляецца асноўным метадам кантролю за саставам рэчыва ў металургіі, машынабудаванні, атамнай індустрыі. 3 дапамогай спектральнага аналізу вызначаюць хімічны састаў руд і мінералаў.
Састаў складаных, галоўным чынам арганічных, сумесей аналізуецца па іх малекулярных спектрах.
Спектральны аналіз можна рабіць не толькі па спектрах выпраменьвання, але і па спектрах паглынання. Іменна лініі паглынання ў спектры Сонца і зорак дазваляюць даследаваць хімічны састаў гэтых нябесных цел. Паверхня Сонца, якая ярка свеціцца — фотасфера — дае неперарыўны спектр. Сонечная атмасфера паглынае выбіральна святло ад фотасферы, што прыводзіць да з’яўлення ліній паглынання на фоне неперарыўнага спектра фотасферы.
175
Але і сама атмасфера Сонца выпраменьвае святло. У час сонечных зацьменняў, калі сонечны дыск закрыты Месяцам, адбываецца «абарачэнне» ліній спектра. На месцы ліній паглынання ў сонечным спектры ўспыхваюць лініі выпраменьвання.
У астрафізіцы пад спектральным аналізам разумеюць не толькі азначэнне хімічнага саставу зорак, газавых воблакаў і г. д., але і знаходжанне па спектрах многіх іншых фізічных характарыстык гэтых аб’ектаў: тэмпературы, ціску, скорасці руху, магнітнай індукцыі.
КНІГІ ОНЛАЙН
