Исследование спектров инертных газов

Цель работы - идентификация инертного газа путем определения длин волн его спектральных линий.

Краткие сведения из теории

Надежным бесконтактным способом определения химического состава вещества является способ, основанный на изучении его спектра испускания. Ионизованные одноатомные газы при достаточном разрежении испускают излучение с линейчатым спектром, который в монохроматоре представляет собой ряд тонких линий, имеющих на различных участках видимой области спектра определенный цвет (от фиолетового до красного). Излучение возбужденного атома подчиняется законам квантовой механики. Согласно квантово-механическим представлениям, испускание фотона характери­стического излучения в оптическом диапазоне происходит в результате спонтанного перехода внешнего (валентного) электрона атома из стационарного состояния с энергией E₁ в состояние с меньшей энергией Е₂, при этом

(77.1)

- постоянная Планка, - круговая частота излучения. Поглощение излучения атомом является процессом, обратным испусканию, и сопровождается возбуждением атома, т. е. переходом внешнего электрона в состояние с большей энергией. Состояние сложного атома в рамках LS типа связи задается набором квантовых чисел: , где - полные орбитальное и спиновое квантовые числа атомного остова, который образуется из атома при удалении внешнего электрона; l - орбитальное квантовое число внешнего электрона; L, S - полные орбитальное и спиновое квантовые числа атома; J - квантовое число полного момента импульса атома. Состояния атома, соответствующие различным наборам квантовых чисел , определяют спектр атома.

Радиационные переходы происходят только между двумя такими состояниями атома, для которых справедливы следующие правила отбора:

(77.2)

Необходимо усвоить, что правила отбора являются фактически квантово-механическим выражением законов сохранения орбитального, полного и полного спинового моментов импульса в процессе излучения для системы «атом-фотон». Таким образом, спектр одноатомного газа состоит из отдельных спектральных линий, длины волн которых определяются соотношением (77.1) при условии, что квантовые числа начального и конечного состояний атома удовлетворяют правилам отбора (77.2).

Возбужденные пары сложных веществ, т. е. газы молекулярного состава, образуют спектры в виде полос, каждая из которых соответствует набору спектральных линий, имеющих близкие длины волн. Излучение нагретого твердого тела или жидкости характеризуется сплошным спектром. Если между источником излучения со сплошным спектром и входной щелью спектрального прибора поместить вещество, поглощающее излучение в некоторых диапазонах

длин волн, то в сплошном спектре источника возникнут темные области, соответствующие длинам волн поглощенного излучения. Такой спектр называется спектром поглощения.

Качественный спектральный анализ основан на том, что присутствие в спектре линий того или иного элемента указывает на наличие этого элемента в излучающем веществе. Для точного определения неизвестных длин волн линий спектра произвольного вещества необходимо сопоставить положение этих линий в монохроматоре с положением линий спектра сравнения, для которого длины волн спектральных линий хорошо известны. В качестве спектра сравнения часто применяют спектр ртути, обладающий большим числом линий в видимом диапазоне длин волн (400,0 700,0 нм).