Книга: Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

§ 42 Спектры излучения и поглощения

§ 42 Спектры излучения и поглощения

В § 29 мы говорили о том, что электромагнитное излучение представляет собой широкий спектр колебаний, которые различаются частотой и, следовательно, длиной волны. Напомним, что для того, чтобы вычислить частоту, зная длину волны, надо разделить скорость распространения волны на эту длину. Так что чем больше частота излучения, тем короче его длина волны. Теперь мы также знаем, что энергия электромагнитного излучения прямо пропорциональна его частоте, т. е. обратно пропорциональна длине его волны. Излучение, длина волны которого лежит на участке от 380 до 780 нм, воспринимается человеческим глазом и называется видимой частью излучения или просто видимым светом. От длины волны видимого света зависит его цвет. Излучение, в котором все части спектра представлены в равном соотношении, воспринимается как белый свет. Таким, например, является солнечное излучение[10].

Впервые на то, что солнечный свет можно разложить на составляющие его различно окрашенные лучи, обратил внимание Ньютон. Разумеется, и до него люди наблюдали на небе радугу, которая почему– то появлялась обычно после дождя, любовались игрой света в драгоценных камнях и т. д., но причину этого явления никто объяснить не мог. Решающее открытие было сделано Ньютоном следующим образом. Свет от Солнца или от фонаря пропускают через узкую щель, а затем с помощью линзы фокусируют на белом экране, где образуется короткий белый прямоугольник. Если на пути луча света поместить стеклянную призму, то этот прямоугольник сместится и превратится в окрашенную полоску, где постепенные переходы цветов от красного до фиолетового совпадают с теми, которые можно наблюдать в радуге (рис. 109). Ньютон знал, что, проходя через призму, лучи света испытывают преломление, т. е. меняют угол направления своего движения. Теперь оказалось, что лучи разного цвета меняют этот угол по– разному. На основании этого наблюдения Ньютон сделал вывод, что лучи разного цвета преломляются призмой неодинаково.

Рис. 109. Дисперсия света на призме

Обнаруженное им радужное изображение он назвал спектром (от лат. spektrum – видение), а само явление разложения света на различные цветовые составляющие – дисперсией. Таким образом, оказалось, что белый свет представляет собой смесь различных цветов. Эксперименты и выводы Ньютона опровергли распространённое до этого времени мнение о том, что цвет является свойством окрашенных предметов, т. е. цвет приобретает окраску при столкновении с цветными поверхностями. Но если это так, то от чего зависит цвет всех предметов, которые находятся вокруг нас и окраска которых является их естественным свойством?

Возьмём какой-нибудь прозрачный окрашенный предмет, например цветное стекло или пластик. Положим его на стол и посмотрим на него в падающем сверху свете. Допустим, что его цвет будет синим. Это значит, что те лучи, которые он от себя отражает и которые после этого попадают в наш глаз, будут синими, т. е. в глаза попадает излучение, имеющее такую длину волны, которая воспринимается человеком как синий цвет. Теперь посмотрим через этот прозрачный предмет на свет. Мы убедимся, что всё, что мы видим, станет тоже синим. А это означает, что наше стекло пропускает через себя только синее излучение. Можно проделать наблюдения с прозрачными предметами любого цвета и убедиться в том, что во всех случаях они будут отражать и пропускать одно и то же излучение. Это значит, что предмет данного цвета выбирает для отражения и пропускания только небольшую часть из всего спектра белого света. Что происходит с остальной частью спектра? Она поглощается окрашенным предметом.

Если мы имеем дело с непрозрачным предметом, то он не пропускает никакого света, а может только отражать и поглощать. Белый предмет отражает весь видимый спектр, потому он и выглядит как белый. Чёрный же не отражает никакого света – все падающие на него лучи он поглощает. Поэтому от него в наш глаз не попадает никакого излучения, что воспринимается как чернота. Именно по этой причине люди в жару стараются носить белую или светлую одежду, в наибольшей степени отражающую солнечные лучи, тогда как одежда чёрного цвета большинство лучей поглощает и от этого нагревается. Всё же цветные предметы поглощают свет избирательно, в определённых областях видимого спектра, а все остальные падающие на них волны, отражают. Этот отражённый свет и попадает нам в глаза, вызывая ощущение определённого цвета. Соответственно, сочетание всех волн, которые поглощаются веществом, образует его спектр поглощения, а тех, которые им отражаются, – спектр отражения. Таким же образом для прозрачных тел можно определить спектр пропускания, который, как мы уже сказали, в основном совпадает со спектром отражения.

Но для того чтобы что-то могло поглотить или отразить свет, этот свет должен откуда-то прийти. Другими словами, всякий свет должен иметь источник. Таким источником может быть Солнце, Луна, звёзды, электрическая лампа, свеча и многое другое.

Рис. 110. Непрерывный (А) и линейчатый (Б) спектры

Свет, испускаемый этим источником, иногда может быть белым, как свет Солнца, а иногда в нём будут преобладать волны с какой-то определённой длиной. Так, свет лампочки накаливания является почти белым, но с некоторым преимуществом жёлтой части спектра, а цвет огня в печи или костре имеет хорошо выраженную красную составляющую. В то время, когда не было цветных телевизоров, изображение на экранах называлось чёрно-белым, однако «белый» фон был не совсем таким, в нём явно просматривался голубой оттенок. Отсюда и названия передач старого телевидения, например «Голубой огонёк». Совокупность волн всех частот, испускаемых данным источником света, называют его спектром испускания.

Для изучения спектров, испускаемых различными источниками, применяют приборы, называемые спектрометрами. Если направить спектрометр на Солнце или электрическую лампу накаливания, можно увидеть полосу, в которой представлены все цвета спектра, плавно переходящие друг в друга. Такой спектр называют сплошным или непрерывным (рис. 110, А). Другой вид имеют спектры, испускаемые светящимися газами. Они состоят из чётко разграниченных линий. Каждая линия чётко отграничена от соседних линий чёрными полосами и представляет собой узкий интервал, в котором содержится излучение, которое соответствует определённой длине волны. Такой спектр принято называть линейчатым или прерывистым (рис. 110, Б). С помощью спектрометра можно исследовать как спектры испускания, так и спектры поглощения.

Первым исследователем, обратившим внимание на спектральные линии, был Йозеф Фраунгофер (1787–1826). В его честь эти линии были названы фраунгоферовыми линиями. В 1850 г. Густав Кирхгоф (1824–1887) и Роберт Бунзен (1811–1899) пришли к выводу, что каждый химический элемент имеет свой уникальный линейчатый спектр и, в частности, по спектру небесных светил можно определить их химический состав. В результате их исследований в науке появился новый метод, называемый спектральным анализом, с помощью которого можно определять состав веществ даже на больших расстояниях. С помощью этого метода инертный газ гелий был открыт на Солнце почти на тридцать лет раньше, чем на Земле, и именно в честь Солнца получил своё название.