Линии Бальмера
Переключай излучение и поглощение. Выбирай переход, чтобы увидеть его положение на шкале.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Длины волн рассчитываются по простой модели водорода. Цвета экрана приблизительны, ширина линий условна; интенсивности и уширение не моделируются.
Разложение света
Спектр показывает распределение излучения по частотам или длинам волн. Призма или дифракционная решётка разделяет составляющие по направлениям. Важно отличать сам спектр от механизма его получения: разные приборы могут исследовать один и тот же свет.
Сплошной спектр содержит непрерывный диапазон частот. Разреженный газ из отдельных возбуждённых атомов часто даёт линейчатый спектр. Молекулы могут образовывать полосы из множества близких переходов. Реальные линии имеют конечную ширину.
| Вид | Типичная причина |
|---|---|
| Сплошной | Тепловое излучение плотного тела |
| Линейчатый | Переходы в отдельных атомах |
| Полосатый | Набор переходов молекул |
Вид спектра связан со структурой источника и условиями его излучения.
Почему слово «линия» не означает математически нулевую ширину?
В реальном спектре есть естественное, температурное, столкновительное и приборное уширение.
Излучение и поглощение
Возбуждённый атом может испустить фотон при переходе вниз. Атом на нижнем уровне может поглотить фотон подходящей энергии и перейти вверх. Поэтому для одной пары уровней характерные частоты поглощения и излучения совпадают.
Если широкий световой поток проходит через более холодный разреженный газ, в наблюдаемом направлении могут появиться тёмные линии поглощения. Поглощённая энергия не исчезает: она может переизлучаться в разных направлениях или переходить в другие формы.
| Излучение | Поглощение |
|---|---|
| Переход сверху вниз | Переход снизу вверх |
| Светлая линия на тёмном фоне | Ослабление на фоне непрерывного спектра |
| Энергия уходит из атома | Энергия поступает в атом |
Линии поглощения и излучения одной пары уровней соответствуют одной разности энергий.
Почему газ может давать тёмную линию, хотя затем переизлучает свет?
Переизлучение идёт в разные направления и может включать другие переходы; вдоль исходного луча интенсивность на данной частоте уменьшается.
Схема видимых линий водорода
Показаны характерные видимые линии водорода. Линия соответствует разности энергий уровней, а не одной произвольно выбранной энергии атома.
Original: Merikanto Vectorization: Adrignola · CC0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Лампа через дифракционную решётку
Решётка создаёт несколько порядков спектра. Положения максимумов связаны с длиной волны и периодом решётки.
© Robert D. Anderson · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Серии водорода
Переходы водорода на один конечный уровень образуют спектральную серию. Переходы на n = 1 относятся к серии Лаймана в ультрафиолете. На n = 2 — к серии Бальмера, часть линий которой видима. На n = 3 — к серии Пашена в инфракрасной области.
Для первых линий Бальмера переходы 3, 4, 5, 6 → 2 дают примерно 656, 486, 434 и 410 нм. Положения определяются уровнями, а относительная яркость зависит от населённостей, способов возбуждения и условий среды.
Энергия перехода
ε = 13,6·(1/nf² − 1/ni²) эВ, ni > nf
Длина волны
λ₀ ≈ 1240/ε нм
Серия Бальмера
nf = 2
Совпадение набора спектральных линий позволяет распознавать атомы.
Почему нельзя определять количество вещества по одной яркой линии без дополнительных условий?
Интенсивность зависит не только от количества атомов, но и от возбуждения, температуры, поглощения и чувствительности прибора.
Модель: светлые и тёмные линии
Переключай спектр излучения и поглощения, выбирай переход Бальмера. Модель выделяет соответствующую линию на шкале длины волны. Цвета экрана приблизительны, а толщина линий увеличена для видимости; абсолютная яркость не рассчитывается.
Спектральный анализ применяют к лабораторным веществам и звёздам. Чтобы делать выводы о составе, сравнивают несколько линий и учитывают смещения и уширения. Один цвет светящегося тела ещё не является надёжным химическим «паспортом».
Найти положения линий
Измерить длины волн
Сопоставить набор
Сравнить с известными переходами
Учесть условия
Возбуждение, движение, прибор
Для уверенного спектрального анализа полезен набор линий и учёт условий наблюдения.
Означает ли красный цвет источника, что он состоит только из водорода?
Нет. Похожий воспринимаемый цвет могут создавать разные спектры, а определение состава требует измерения линий.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 32. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 32. Излучение и поглощение света атомом. Спектры испускания и поглощения.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.