Исследование показало, что тип спектра определяется характером светящегося объекта.
Сплошные спектры получаются в результате свечения твердых или жидких тел. В пламени свечи светятся раскаленные частицы угля, в электрической лампочке - накаленная металлическая нить. Такие же спектры дают и расплавленные металлы, а также светящиеся газы или пары, если они обладают значительной плотностью, т. е. находятся под очень высоким давлением. В частности, сплошной спектр Солнца представляет собой, по-видимому, сведение паров высокой плотности.
Линейчатые и полосатые спектры характерны для свечения газов или паров малой плотности. Линейчатые спектры испускаются светящимися атомами. Многие газы состоят из отдельных атомов, например пары металлов и так называемые инертные газы - гелий, неон, аргон и др. Газы, состоящие из молекул, например водород, кислород, пар йода и др., могут при возбуждении распадаться на атомы (диссоциировать). Такие атомарные газы дают линейчатые спектры. Но можно вызвать свечение и целых молекул, не разбивая их на атомы. В таком случае испускаются полосатые спектры. При возбуждении таких многоатомных газов или паров нередко происходит частичная диссоциация и наблюдается одновременно и линейчатый и полосатый спектры.
Свечение атомов и молекул в парах и газах можно вызвать нагреванием. Например, в пламени газовой горелки можно наблюдать полосы, соответствующие свечению молекул циана, представляющих соединение углерода и азота . Если в пламя внести крупинку поваренной соли (хлористого натрия, ), то пламя окрашивается в интенсивный желтый цвет, и спектральный аппарат обнаруживает в желтой части спектра две близко расположенные линии, характерные для спектра паров натрия. Это означает, что в пламени горелки молекулы хлористого натрия рас пались на атомы натрия и хлора, свечение атомов натрия легко наблюдается, свечение же атомов хлора возбудить не легко, и оно обычно слишком слабо. Гораздо чаще для возбуждения спектров атомов и молекул пользуются явлениями электрического разряда в газах. В этом случае трубка с электродами, через которую пропускают электрический ток, наполняется газом при низком давлении.
В этих условиях разряд имеет характер тлеющего (см. т. II, § 100). Нередко трубке тлеющего разряда придают форму, указанную на рис. 325, с тем чтобы сконцентрировать свечение в узкой части, что удобно для освещения щели спектрографа. На этом рисунке 1 - электроды, 2 - узкая часть, где плотность тока (т. е. ток, рассчитанный на единицу площади) и яркость свечения имеют наибольшее значение. Для той же цели может служить электрическая искра или дуга между исследуемыми электродами.
Рис. 325. Трубка тлеющего разряда
Если повышать давление светящегося пара или газа, то спектральные линии начинают расширяться, захватывая больший спектральный интервал. При очень больших давлениях (сотни и больше атмосфер) линейчатый спектр постепенно переходит в сплошной, характерный для сжатых.
Фотометрия пламени
Определение малых количеств флуоресцеина
Метод основан на способности флуоресцеина светиться зеленым светом. Интенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации вещества при малом содержании его в растворе .
Цель работы – овладеть приемами флуориметрического определения и методом градуировочного графика.
1 Задание: определить, используя метод градуировочного графика, содержание флуоресцеина в контрольном растворе.
2 Аппаратура, химическая посуда, реактивы:
1) флуориметр;
2) мерные колбы вместимостью 50 мл – 7 шт;
3) градуированная пипетка вместимостью 10,0 мл;
4) флуоресцеин, щелочной раствор с титром 7 ∙ 10 -10 г/мл;
5) дистиллированная вода.
3 Ход определения:
1) в мерные колбы на 50 мл внесите последовательно 1, 2, 3, 4, 5 и 6 мл стандартного раствора флуоресцеина, доведите объемы в колбах до метки дистиллированной водой, перемешайте;
2) подготовьте прибор к работе в соответствии с инструкцией к прибору или рекомендациями преподавателя. Измерьте интенсивность флуоресценции каждого раствора приготовленной серии, а затем контрольного раствора;
3) по данным измерений постройте калибровочный график в координатах «интенсивность флуоресценции – объем стандартного раствора».
Найдите по графику объём контрольного раствора, выданный преподавателем;
4) вычислите, используя концентрацию стандартного раствора флуоресцеина, содержание его в контрольном растворе в мг и погрешность.
Эмиссионная фотометрия пламени (или просто пламенная фотометрия) основана на использовании излучения световой энергии атомами элементов в пламени.
Строение внешних электронных оболочек атомов определяет особенности атомных спектров. Атомы со сходными внешними оболочками электронов имеют близкие по строению оптические спектры. Наблюдать оптические спектры электронов можно лишь тогда, когда атомы изолированы друг от друга. Достигается это распылением раствора соединения металла в пламя. При этом происходит испарение растворителя, атомизация молекул вещества и затем возбуждение атомов. Спектр такого пламени может содержать как линии, так и полосы испускания. Линейчатый спектр характерен для атомов металлов, полосатые спектры - для молекул образующихся в ряде случаев оксидов (МеО) и гидроксидов (Ме(ОН) n). Последние часто образуются при исследовании щелочноземельных и редкоземельных элементов. Для щелочных металлов атомизация происходит легче и практически полностью. При температуре пламени газо-воздушной смеси около 1800-1900 градусов Цельсия возбуждаются только щелочные и щелочноземельные металлы. Для получения спектров большинства других элементов необходимо использовать кислород в качестве окислителя и другие газы (ацетилен, водород), делающие температуру пламени более высокой.
Возникновение спектров связано с переходом валентных электронов атомов с нормального на более высокий энергетический уровень. Энергия, которая затрачивается на это перемещение, называется энергией возбуждения, выражают ее в кДж (эВ).
Наименьшую энергию возбуждения имеют щелочные металлы, наибольшую - инертные газы. По истечении некоторого времени (около 10 -8 с) возбужденные атомы возвращаются в нормальное состояние. Освобождающаяся при этом энергия (∆Е) излучается в виде кванта определенной длины волны λ.
∆Е = Е 1 – Е 0 = hν = (hc)/λ,
где Е 1 – энергия возбужденного состояния, В;
Е 0 – энергия исходного состояния, В;
h – постоянная Планка;
ν – частота излучения;
λ – длина волны излучения, нм;
с – скорость света, с.
Так как в излучении принимают участие много атомов с различными начальными энергиями, то в спектре излучения наблюдаются линии, обусловленные всеми возможными переходами, присущими атомам данного элемента. Интенсивность спектральных линий зависит от числа атомов, участвующих в поглощении и в последующем излучении энергии; от температуры источника; от энергии верхнего уровня атома. Повышение температуры приводит к повышению интенсивности, но в то же время возможна при таком повышении ионизация атомов. Например, при температуре более 2000 градусов атомы калия ионизируются, а ионы испускают излучение другой длины волны, чем атомы, что может привести к ошибкам при измерении интенсивности излучения.
Для получения надежных результатов количественных пламеннофотометрических измерений необходимо строго соблюдать ряд требований. Эталонные растворы, используемые для получения градуировочного графика, по возможности должны иметь тот же общий состав, что и анализируемый раствор. Калибровочные растворы нужно фотометрировать одновременно с анализируемыми. Состав образца для анализа должен быть относительно прост, а определяемый компонент должен быть главным и содержаться в большем количестве.
Одинаково применимы метод построения калибровочного графика и метод добавок.
В процессе изучения и применения линейчатых спектров возникли различные вопросы. Как, например, объяснить, почему атомы каждого химического элемента имеют свой строго индивидуальный набор спектральных линий? Почему совпадают линии излучения и поглощения в спектре данного элемента? Чем обусловлены различия в спектрах атомов разных элементов?
Нильс Бор (1885-1962)
Датский физик-теоретик, общественный деятель, один из создателей современной физики. Создал теорию водородоподобного атома, основанную на двух постулатах
Ответы на эти и многие другие вопросы удалось найти только в начале XX в. благодаря возникновению новой физической теории - квантовой механики. Одним из основоположников этой теории был датский физик Нильс Бор.
Бор пришёл к заключению, что свет излучается атомами вещества.
В связи с этим в 1913 г. он сформулировал два постулата.
- 1. Атом может находиться только в особых, стационарных состояниях. Каждому состоянию соответствует определённое значение энергии - энергетический уровень. Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает и не поглощает
Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Номера стационарных орбит и энергетических уровней (начиная с первого) в общем случае обозначаются латинскими буквами: п, k и т. д. Радиусы орбит, как и энергии стационарных состояний, могут принимать не любые, а определённые дискретные значения. Первая орбита расположена ближе всех к ядру.
- 2. Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Е к в стационарное состояние с меньшей энергией Е n
Согласно закону сохранения энергии, энергия излучённого фотона равна разности энергий стационарных состояний:
hv = E k - E n .
Из этого уравнения следует, что атом может излучать свет только с частотами
Атом может также поглощать фотоны. При поглощении фотона атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.
Состояние атома, в котором все электроны находятся на стационарных орбитах с наименьшей возможной энергией, называется основным. Все другие состояния атома называются возбуждёнными.
У атомов каждого химического элемента имеется свой характерный набор энергетических уровней. Поэтому переходу с более высокого энергетического уровня на более низкий будут соответствовать характерные линии в спектре испускания, отличные от линий в спектре другого элемента.
Совпадение линий излучения и поглощения в спектрах атомов данного химического элемента объясняется тем, что частоты волн, соответствующих этим линиям в спектре, определяются одними и теми же энергетическими уровнями. Поэтому атомы могут поглощать свет только тех частот, которые они способны излучать.
Вопросы
- Сформулируйте постулаты Бора.
- Запишите уравнения для определения энергии и частоты излучённого фотона.
- Какое состояние атома называют основным; возбуждённым?
- Как объясняется совпадение линий в спектрах испускания и поглощения данного химического элемента?
Задание
В вашем распоряжении имеются две стальные спицы. Придумайте эксперименты, с помощью которых можно было бы определить: а) намагничена ли одна из спиц, и если да, то какая; б) намагничены ли обе спицы.
Примечание: в эксперименте могут быть использованы только указанные предметы.
Итоги главы. Самое главное
Ниже даны физические понятия, явления, правило, закон, постулаты и их определения и формулировки. Последовательность изложения определений не соответствует последовательности понятий.
Перенесите в тетрадь названия понятий и законов и впишите в квадратные скобки порядковый номер определения (формулировки), соответствующего данному понятию, явлению, постулату, правилу, закону.
- Переменный ток ;
- электромагнитная волна ;
- радиосвязь ;
- дисперсия света ;
- явление электромагнитной индукции ;
- правило Ленца ;
- явление самоиндукции ;
- закон преломления света ;
- квантовые постулаты Бора ;
- типы оптических спектров .
Проверь себя
- В данной системе отсчёта магнитное поле создаётся движущимися в ней
- фотонами
- электронами
- атомами
- нейтронами
- Магнитное поле обнаруживается по его действию на
- покоящиеся в нём протоны
- покоящиеся в нём нейтроны
- покоящиеся в нём ионы
- проводник с протекающим по нему электрическим током
- Магнитное поле характеризуется векторной физической величиной, которая обозначается символом B и называется
- магнитной индуктивностью
- магнитной индукцией
- электромагнитной индукцией
- самоиндукцией
- Закону преломления света соответствует формула
