3.3.2 Устройство и принцип работы спектроскопа.

На дисперсии сложного излучения в трехгранной призме из прозрачного материала (для видимого света – тяжелое стекло – флинт, для ультрафиолетового излучения – кварц и для инфракрасного – каменная соль или сильвин) основано устройство приборов для исследования спектра и измерения длин волн сложного излучения (спектроскопов и спектрографов). Простейший призменный спектроскоп имеет следующие составные части (рис.3.5):

1. Коллиматор, представляющий собой трубку с объективом О₁ на одном конце и щелью Щ на другом. Щель коллиматора освещается источником света, спектр которого предполагается изучать. Так как щель находится в фокусе объектива О₁, лучи света, выйдя из коллиматора, падают на призму П параллельным пучком.

2. Преломляющая призма П, в которой происходит преломление и разложение пучка лучей, вышедшего из объектива коллиматора.

3. Зрительная труба, состоящая из объектива О₂ и окуляра Ок. Объектив О₂ служит для того, чтобы фокусировать вышедшие из призмы П параллельные цветные лучи в своей фокальной плоскости. Окуляр Ок представляет собой лупу, через которую рассматривается изображение, даваемое объективом О₂.

Рис.3.5

Образование спектра в спектроскопе происходит следующим образом. Каждая точка щели спектроскопа, освещенная источником света, посылает в объектив коллиматора лучи, выходящие из него параллельным пучком. Выйдя из объектива, параллельный пучок падает на переднюю стенку призмы П. После преломления пучок разделяется на ряд параллельных монохроматических пучков, идущих по разным направлениям из-за разного преломления лучей с разными длинами волн. На рисунке для удобства изображены всего два луча, например, красного и фиолетового цвета. После преломления на задней границе призмы П лучи выходят в воздух по-прежнему в виде двух пучков параллельных лучей, составляющих друг с другом некоторый угол. Преломившись в объективе О₂ зрительной трубы, параллельные пучки лучей различных длин волн соберутся каждый в своей точке задней фокальной плоскости объектива. В этой плоскости получится спектр - ряд цветных изображений входной щели, число которых равно количеству различных монохроматических излучений, имеющихся в свете, освещающем щель.

Спектрограф – более сложный прибор, приспособленный для фотографирования спектров. Пользуясь спектральным прибором, можно получить монохроматический свет различной длины. Такой прибор называется монохроматором. Он является составной частью спектрографа.

3.4 Распределение частиц вещества по энергетическим уровням. Квантовые переходы. Постулаты Бора. Природа образования спектров.

Атомы и молекулы вещества находятся в непрерывном тепловом хаотическом движении. При соударении их энергия изменяется. Распределение частиц вещества по энергии представляют схематично в виде энергетических уровней с энергиями Е₁, Е₂, Е₃…..Е_n, причем Е₁< Е₂< Е₃<…..<Е_n (рис.3.6).

Е_n _________________ Все уровни называются стационарными. В стаци-

·

·

·

Е₃ _________________ онарном состоянии атомы и молекулы вещества

Е₂ _________________ не излучают и не поглощают энергию (первый

Е₁ _________________ постулат Бора). Самый нижний энергетичес-

кий уровень энергией Е₁ называется основным.

Рис.3.6 Основной уровень является устойчивым. На основном уровне частицы вещества могут находиться сколь угодно долго, происходит их накопление, при этом реализуется распределение Больцмана, т.е. если Е₁< Е₂< Е₃<…..<Е_n , то N₁> N₂> N₃>…..>N_n , где N_i –число частиц на энергетическом уровне Е_i. Все остальные уровни называются возбужденными. Возбужденные уровни неустойчивы, т.к. время жизни частиц на них мало и составляет Т=10^-8с. Между энергетическими уровнями происходят переходы, которые называются квантовыми переходами. Излучение и поглощение энергии возможно только при квантовых переходах частиц (второй постулат Бора):

а) при квантовых переходах с верхнего на нижний энергетический уровень происходит излучение энергии Е_ф = hν , причем Е_ф = Е_i - Е_к. Т.е., излучаемая энергия Е_ф равна разности энергий энергетических уровней Е_i и Е_к между которыми осуществляется квантовый переход (Е_i > Е_к).

б) при квантовых переходах с нижнего на верхний энергетический уровень происходит поглощение энергии Е_ф = hν, при этом Е_ф = - (Е_i - Е_к). Т.е., поглощаемая энергия Е_ф равна разности энергий энергетических уровней Е_i и Е_к, между которыми осуществляется квантовый переход. Знак » – « указывает на поглощение энергии.

Установлено, что:

1) квантовые переходы осуществляются не между любыми энергетическими уровнями (существуют определенные законы квантовой физики, разрешающие квантовые переходы), что влияет на появление определенных полос в спектре вещества и на их интенсивности;

2) возможны квантовые переходы без излучения и поглощения (например, при столкновениях атома или молекулы с другими частицами вещества).

Излучаемая частицами вещества энергия, в результате квантовых переходов, формирует спектр излучения, а поглощаемая – спектр поглощения. Таким образом, квантовые переходы лежат в основе образования спектров.

Атомный спектр (излучения и поглощения) – спектр, образованный при квантовых переходах между энергетическими уровнями свободных или слабовзаимодействующих атомов. Атомный спектр является линейчатым. Молекулярный спектр (излучения и поглощения) - спектр, образованный при квантовых переходах молекул между энергетическими уровнями. Молекулярные спектры – полосатые, они более сложны чем атомные, что обусловлено большим разнообразием движений и, следовательно, квантовых переходов в молекуле. Спектры являются источником различной информации.