§ 27. спектры излучения, поглощения и спектральный анализ

Способность электромагнитных волн переносить энергию характеризуют плотностью потока электромагнитного излучения I, которую определяют следующим образом:

где DW – электромагнитная энергия, проходящая за время Dt через поверхность площадью S, перпендикулярную направлению распространения электромагнитных волн (см. рис. 27а). Энергия, переносимая данным излучением, зависит от частоты электромагнитных волн. Чем больше частота излучения n, тем больше энергии оно переносит. Можно показать, что плотность потока излучения I ~ n⁴.

Излучение, как правило, состоит из электромагнитных волн различных частот. Чтобы описать энергию, переносимую различными частотами такого излучения, используют величину, называемую интенсивностью излучения, или его спектральной плотностью, I(n):

где DI – плотность потока излучения в диапазоне частот между n и n+Dn. График зависимости I(n) от n называют спектром излучения (см. рис. 27б). Спектр излучения можно найти экспериментально с помощью спектральных приборов, разделяющих электромагнитные волны различной частоты. Основной частью спектральных приборов для изучения инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения являются призмы или дифракционные решётки.

Спектры излучения подразделяют на три следующих типа. В сплошном (или непрерывном) спектре спектральная плотность плавно зависит от частоты и имеет один максимум (см. 27б). Примером сплошного спектра может служить спектр солнечного излучения, а также излучения всех твёрдых или жидких тел, нагретых до высоких температур. Наличие сплошного спектра указывает на сильное взаимодействие между атомами или молекулами  излучающего тела.

Зависимость спектральной плотности от частоты, состоящая из нескольких узких пиков (спектральных линий) называют линейчатым спектром (см. рис.27в). Спектр излучения всех веществ, находящиеся в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии является линейчатым, т.к. атомы, не взаимодействующие между собой, излучают строго определённые частоты электромагнитных волн, характерные для каждого химического элемента. Такое излучение можно наблюдать, например, изучая свечение паров вещества в горящем пламени. При увеличении плотности атомарного газа атомы начинают взаимодействовать, и спектр излучения становится сплошным.

Спектр излучения молекул, слабо или вообще не взаимодействующих между собой, называют полосатым спектром, т.к. его спектральная плотность не равна нулю только в некоторых диапазонах (полосах) частот (см. рис. 27г). Как показывает более тщательный анализ полосатого спектра, каждая его полоса состоит из большого числа спектральных линий, отражающих взаимодействие атомов в молекуле.

Любое тело не только излучает электромагнитные волны, но и поглощает их. При этом поглощение электромагнитных волн, как и их излучение, тоже зависит от их частоты. Например, холодный газ поглощает излучение как раз тех частот, которые образуют его спектр излучения в нагретом состоянии. Поэтому излучение, обладающее сплошным спектром, пройдя через такой газ, будет лишено некоторых частот, в результате чего в спектре излучения, прошедшего через газ – спектре поглощения, появятся провалы (см. рис. 27д).

Спектральным анализом называют совокупность методов определения атомного и молекулярного состава вещества, основанных на исследовании его спектров излучения и поглощения.

Вопросы для повторения:

·        Что такое спектральная плотность и спектр излучения?

·        Какие бывают спектры излучения?

·        Что такое спектр поглощения?

 

Рис. 27. (а) – к определению плотности потока излучения; (б, в, г) – примеры сплошного, линейчатого и полосатого спектров излучения; (д) – пример спектра поглощения.