Физика · конспекты
★0
Физика › 9 класс › Испускание и поглощение света атомом

Тема 38Испускание и поглощение света атомом. Линейчатые спектры

★★★
Термины темы — найди их в тексте:Сплошной спектрЛинейчатый спектрСпектр поглощенияСпектральный анализсплошнойлинейчатыйтёмные линии

Раскалённое твёрдое тело — нить лампы, кусок металла — даёт сплошной спектр: радугу без разрывов. А светящийся разреженный газ даёт линейчатый спектр — отдельные цветные линии.

Определение

Сплошной спектр — спектр со всеми цветами без промежутков; его дают раскалённые твёрдые тела и жидкости. Линейчатый спектр — спектр из отдельных цветных линий; его дают атомы разреженных газов.

Линейчатые спектры гелия, водорода, аргона, криптона и неона — у каждого газа свой
Линейчатые спектры гелия, водорода, аргона, криптона и неона — у каждого газа свой Иллюстрация: light-fizika.ru

Почему линии? По Бору, атом испускает фотоны только с энергиями hν=Ek−Enh\nu=E_k-E_n. Значит, у каждого атома свой набор частот — свой набор цветных линий.

Поглощение и испускание фотона атомом
Поглощение и испускание фотона атомом Иллюстрация: light-fizika.ru

Спектры поглощения

Если белый свет пропустить через холодный газ, атомы поглотят те же частоты, которые сами умеют излучать. На сплошном спектре появятся тёмные линии.

Определение

Спектр поглощения — тёмные линии на фоне сплошного спектра, которые появляются, когда свет проходит через газ.

Спектры испускания и поглощения водорода: линии на тех же местах
Спектры испускания и поглощения водорода: линии на тех же местах Иллюстрация: light-fizika.ru

В спектре Солнца сотни тёмных линий: их создают атомы холодной солнечной атмосферы.

Тёмные линии в спектре Солнца и химические элементы, которые их дают
Тёмные линии в спектре Солнца и химические элементы, которые их дают Иллюстрация: light-fizika.ru

Спектральный анализ

Определение

Спектральный анализ — определение химического состава вещества по его спектру.

Набор линий каждого элемента неповторим, как отпечаток пальца. По спектрам узнали состав Солнца и звёзд, а гелий сначала открыли на Солнце (1868) и только потом на Земле. Спектральный анализ применяют в металлургии, геологии, криминалистике, астрономии.

Спектроскоп: сплошной спектр, спектр излучения горячего газа и спектр поглощения холодного газа
Спектроскоп: сплошной спектр, спектр излучения горячего газа и спектр поглощения холодного газа Иллюстрация: light-fizika.ru
В жизни

Свечение без нагрева называют люминесценцией. Так светятся светодиоды, лампы дневного света, газоразрядные трубки, экраны и даже медузы.

Свечение газового разряда. СветодиодСвечение газового разряда. Светодиод
Свечение газового разряда. Светодиод Иллюстрация: light-fizika.ru
Пример решения

Жёлтая линия натрия имеет длину волны 589 нм. Найдите энергию фотона.

E=hcλ=6,63⋅10−34⋅3⋅1085,89⋅10−7≈3,4⋅10−19E=\dfrac{hc}{\lambda}=\dfrac{6{,}63\cdot10^{-34}\cdot3\cdot10^8}{5{,}89\cdot10^{-7}}\approx3{,}4\cdot10^{-19} Дж.

Образ для запоминания

Линейчатый спектр — «штрихкод элемента»: у каждого элемента свой узор линий, и по нему элемент узнают даже на далёкой звезде.

⚗ Мини-опыт

Выбирайте газы и сравнивайте их спектры испускания и поглощения. Затем определите по спектру, какой газ спрятан в «неизвестной» трубке.

▶ Симуляция PhET

В «Моделях атома водорода» на экране «Спектры» включите спектрометр и соберите линии водорода. В «Спектре абсолютно чёрного тела» меняйте температуру: как меняется цвет раскалённого тела?

Модели атома водородаОткрыть ↗
Спектр абсолютно чёрного телаОткрыть ↗

Симуляция: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, лицензия CC BY-NC 4.0 (phet.colorado.edu); русский перевод интерфейса.

? Проверь себя

Ответь, не подглядывая в конспект: вспоминать — лучший способ запомнить.

1Какой спектр даёт раскалённая нить лампы?
Нагретые твёрдые тела дают сплошной спектр.
2Почему спектр разреженного газа линейчатый?
hν=Ek−Enh\nu=E_k-E_n — только определённые частоты.
3Что такое спектральный анализ?
У каждого элемента свой набор линий.

✎ Задачи

А Уровень А по образцу: одна формула, один шаг

  1. Какие вещества дают линейчатый спектр?

    Ответ

    Разреженные газы — отдельные атомы.

    Как получилось?

  2. Как получить спектр поглощения?

    Ответ

    Пропустить белый свет через холодный газ.

    Как получилось?

  3. Как был открыт гелий?

    Ответ

    По неизвестным линиям в спектре Солнца в 1868 году — раньше, чем на Земле.

    Как получилось?

  4. Совпадают ли линии поглощения и испускания одного газа?

    Ответ

    Да: атомы поглощают те же частоты, которые испускают.

    Как получилось?

  5. Где применяют спектральный анализ?

    Ответ

    В астрономии, металлургии, геологии, криминалистике, медицине.

    Как получилось?

Б Уровень Б сам: несколько шагов, перевод единиц

  1. Энергия фотона 3,3⋅10−193{,}3\cdot10^{-19} Дж. Найдите длину волны. Какого цвета этот свет?

    Ответ

    λ=hcE≈6⋅10−7\lambda=\dfrac{hc}{E}\approx6\cdot10^{-7} м = 600 нм — оранжевый.

    Как получилось?

  2. Почему в спектре Солнца есть тёмные линии?

    Ответ

    Холодные газы солнечной атмосферы поглощают свет определённых частот, идущий от горячих глубоких слоёв.

    Как получилось?

  3. Как по спектру звезды узнать, что в ней есть натрий?

    Ответ

    В её спектре есть линии (тёмные или яркие) на месте жёлтых линий натрия 589 нм.

    Как получилось?

↻ Закрепи

Карточки терминов

Нажми на карточку — она перевернётся. «Знаю» — карточка вернётся на повторение позже (через сутки, неделю, месяц), «Повторить» — скоро снова.

Сплошной спектр
Спектр со всеми цветами без промежутков; его дают раскалённые твёрдые тела и жидкости.
Линейчатый спектр
Спектр из отдельных цветных линий; его дают атомы разреженных газов.
Спектр поглощения
Тёмные линии на фоне сплошного спектра, которые появляются, когда свет проходит через газ.
Спектральный анализ
Определение химического состава вещества по его спектру.
Почему спектр линейчатый
Атом испускает только фотоны с энергиями hν = Eₖ − Eₙ.

Экспресс-карта

Возьми лист и за 3 минуты нарисуй по памяти карту темы: в центре — тема, ветви — главные идеи, на ветвях — термины. Потом сравни.