Практическая работа №16
Наблюдение сплошного и линейчатого спектров испускания
Подготовительная часть.
Прочитайте текст и заполните пустые места, ответьте на вопросы, а также произведите необходимые расчёты.
Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа.
Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является . Это означает, что в спектре представлены волны всех длин волн видимого диапазона – от красной границы до фиолетовой. В спектре нет разрывов, и на экране спектрографа можно видеть сплошную разноцветную полосу. Его можно получить путем пропускания солнечного света через или , .
Излучение с непрерывным спектром дают:
, , , .
Ситуация качественно меняется, когда мы наблюдаем свечение разреженных газов. Спектр перестает быть непрерывным, в нем появляются разрывы, увеличивающиеся по мере разряжения газа. В придельном случае чрезвычайно разреженного атомарного газа спектр становится - состоящим из отдельных достаточно тонких линий.
Рассмотрим два типа спектров такого вида: спектр испускания и спектр поглощения.
Предположим, что газ состоит из атомов химического элемента и разрежен на столько, что атомы почти не взаимодействуют друг с другом. Раскладывая в спектр излучение такого газа (нагретого до достаточно высокой температуры), мы увидим примерно следующую картину:
« »
Этот линейчатый спектр, образованный тонкими изолированными разноцветными линиями, называется .
Любой атомарный разреженный газ излучает свет с линейчатым спектром. Более того, для каждого химического элемента спектр испускания оказывается уникальным, играя роль «удостоверения личности» этого элемента. По набору линий спектра испускания можно однозначно сказать, с каким химическим элементом мы имеем дело.
Поскольку газ разрежен и атомы мало взаимодействуют друг с другом, мы можем заключить, что свет излучают . Таким образом, атом характеризуется
Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.
При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.
Спектр, состоящий из отдельных полос, разделенных темными промежутками - . С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры образуются не атомами, а , не связанными или слабо связанными друг с другом.
Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда.
Атомы излучают свет, переходя из взбужденного состояния в основное. Но вещество может не только излучать, но и поглощать свет. Атом, поглощая свет, совершает обратный процесс – переходит из основного состояния в возбужденное.
Снова рассмотрим разреженный атомарный газ, но на сей раз в холодном состоянии (при достаточно низкой температуре). Свечения газа мы не увидим: не будучи нагретым, газ не излучает – атомов в возбужденном состоянии оказывается для этого слишком мало.
Если сквозь наш холодный газ пропустить свет с непрерывным спектром, то можно увидеть следующее:
« »
На фоне непрерывного спектра падающего света появляются темные линии, которые образуют так называемый . Откуда берутся эти линии?
Под действием падающего света атомы газа переходят в состояние. При этом оказывается, что для атомов годятся не любые длины волн, а лишь некоторые, строго определенные для данного вида газа. Вот именно эти длины волн газ и «забирает себе» из проходящего света.
Более того, газ изымает из непрерывного спектра ровно те самые длины волн, которые излучает сам! Темные линии в спектре газа в точности соответствуют ярким линиям его спектра .
На следующем рисунке сопоставлены спектры испускания и поглощения разреженных паров натрия:
Глядя на спектры испускания и поглощения, физики XIX века пришли к выводу, что атом не является неделимой частицей и обладает некоторой внутренней структурой. В самом деле, что-то ведь внутри атома должно обеспечивать механизм излучения и поглощения света!
Существуют непрерывные, линейчатые и полосатые спектры излучения и столько же видов спектров поглощения.
Кроме того, уникальность атомных спектров говорит о том, что этот механизм различен у атомов разных химических элементов: стало быть, атомы разных химических элементов должны отличаться по своему внутреннему устройству.
Использование линейчатых спектров в качестве уникальных «паспортов» химических элементов лежит в основе - метода исследования химического состава вещества по его спектру.
Идея этого метода проста:
Спектр излучения исследуемого вещества сопоставляется с эталонными спектрами химических элементов. После чего делается вывод о присутствии или отсутствии того или иного химического элемента в данном веществе.При определенных условиях методом спектрального анализа можно определить химический состав не только качественно, но и количественно.
В результате наблюдения различных спектров были открыты новые химические элементы. Такими элементами в периодической системе стали .
В 1868 году в спектре Солнца были обнаружены линии, не соответствующие ни одному из известных химических элементов. Новый элемент был назван . в последствии этот элемент был обнаружен в атмосфере Земли. Вообще, спектральный анализ излучения Солнца и звезд показал, что все входящие в их состав элементы имеются и на Земле. Таким образом, оказалось, что все объекты Вселенной собраны из одного и того же «набора кирпичиков».
Практическая часть.Выберите правильный ответ.
1. Согласно теории Бора атом может излучать свет при…
1) …движении электронов по любой орбите в атоме.
2) …любом ускоренном движении электронов.
3) …переходе из возбужденного состояния в основное.
2. На рисунке показаны три нижних энергетических уровня некоторого атома. Стрелки соответствуют переходам между уровнями.
1) При переходе 1 происходит излучение фотона.
2) На нижнем энергетическом уровне атом может находиться сколь угодно долго.
3) выполняется соотношение 
.
2 5
1 3 4
3. В каком случае спектр излучения будет линейчатым?
1) При свечении нити накала лампы.
2) При свечении расплавленной стали.
3) При свечении неона в газоразрядной трубке.
4. Чему равна частота фотона, излучаемого при переходе из возбужденного состояния 
в основное состояние 
?
1) 
2) 
3) 
5. Линейчатый спектр наблюдается при свечении…
1) …раскаленного вещества.
2) …вещества в газообразном атомарном состоянии.
3) …вещества в газообразном состоянии под большим давлением.
6. На рисунке показаны четыре нижних энергетических уровня некоторого атома. Стрелки соответствуют переходам между уровнями; 
- частота фотона, излучаемого или поглощаемого при переходе.
1) При переходе 1 происходит излучение фотона. 5
2) При переходе 3 происходит поглощение фотона. 1 2 3 4
3) Выполняется соотношение 
.
6
7. На рисунке показаны энергетические уровни атома. Стрелками обозначены переходы между уровнями.
1) при переходе 1 испускается фотон.
2) при переходе 2 испускается фотон.
3) при переходе 3 испускается фотон.
Решите задачи, выбрав подходящий уровень сложности. Выполнение всех задач среднего уровня соответствует оценке «3», выполнение всех задач достаточного уровня – оценке «4», выполнение всех задач высокого уровня - оценке «5».Средний уровень:
Электрон в атоме водорода перешел с четвертого энергетического уровня на второй. Как при этом изменилась энергия атома? Почему?
В каком состоянии находится вещество, имеющее линейчатый спектр испускания?
Сколько квантов с различной энергией может испустить атом водорода, если электрон находится в третьем стационарном состоянии?
Электрон в атоме водорода перешел с пятого энергетического уровня на второй. Как при этом изменилась энергия атома? Почему?
Чем отличается атом, находящийся в стационарном состоянии, от атома в возбужденном состоянии?
При облучении атома водорода электроны перешли из первого стационарного состояния в третье, а при возвращении в исходное состояние они переходили сначала из третьего во второе, а затем из второго в первое. Что можно сказать об энергии квантов, поглощенных и излученных атомом?
Достаточный уровень
При переходе атома водорода из четвертого энергетического состояния во второе излучаются фотоны с энергией 2,55 эВ (зеленая линия водородного спектра). Определите длину волны этой линии спектра.
? 
, дающие красную линию водородного спектра. Какую энергию теряет атом водорода при излучении этого фотона? 
. Определите, на сколько изменилась энергия электрона в атоме в результате этого излучения. 
Высокий уровень
Определите длину волны излучения
при переходе атома водорода из одного энергетического состояния в другое. Разница в энергиях этих состояний 1,892 эВ. 
и 
. Определите изменение энергии атома водорода. 
Домашнее задание.
Итоговый кроссворд по физике за 2 семестр
По вертикали:
1. Множество нейтронов, образующихся в результате ядерной реакции.
2. Механизм, преобразующий механическую энергию в электрическую.
3. Процесс, происходящий при кручении вала со смещённым центром тяжести.
4. Гидравлический подъёмник.
5. Часть спектроскопа, разлагающая свет в спектр.
6. Величина, равная произведению силы на плечо рычага.
7. Всё, существующее во Вселенной; органический и неорганический мир.
8. Частица в ядре атома (общ).
9. Вещество в растениях, преобразующее энергию Солнца в химическую.
10. Элемент, отличающийся от такого же элемента массой ядра.
12. Число оборотов в единицу времени.
13. Процесс интенсивного образования пузырьков пара во всём объёме жидкости.
14. Часть телескопа-рефлектора, являющаяся его объективом.
15. Часть приёмника Попова, регистрирующая приход электромагнитной волны.
23. Пучок прозрачных гибких волокон, служащий для передачи информации.
25. Мельчайшая частица вещества.
27. Событие, происходящее в природе.
28. Прибор, преобразующий колебания тока в звуковые колебания.
31. Учёный, открывший формулу периода колебаний колебательного контура.
33. Процесс, происходящий на границе соприкасающихся тел.
34. Единица измерения температуры.
36. Величина, определяющаяся не только числом, но и направлением.
42. Прибор, выделяющий низкочастотные колебания из модулированных.
43. Твёрдое вещество с правильным расположением атомов.
44. Десятая часть метра.
45. Аппарат для дыхания человека под водой.
50. Полупроводниковый или вакуумный прибор, служащий для выпрямления тока.
51. Небесное тело, вызывающее приливы и отливы на Земле.
52. Ферромагнитный материал, не проводящий электрический ток.
54. Аппарат с реактивным двигателем для исследования космоса.
56. Учёный, определивший число молекул в одном моле вещества.
57. Процесс испускания электронов разогретыми телами.
58. Недостаток массы, возникающий при образовании ядра из осколков.
59. Часть приёмника для настройки его на определённую частоту.
60. Тело, совершающее колебания.
62. Область атомной оболочки, в которой пребывает электрон.
70. Процесс сложения низкочастотных с высокочастотными колебаниями.
72. Непосредственно наблюдаемая сфера Солнца.
74. Дополнительный тон, придающий основному тону особый оттенок.
75. Установка для получения управляемой ядерной реакции.
77. Основатель учения об электромагнитных явлениях.
78. Учёный, открывший формулу выталкивающей силы.
80. Цвет света с наибольшей длиной волны.
81. Форма волны, прошедшей через щель с размерами больше длины волны.
82. Мера площади, равная 10000 
.
83. Неподвижный сердечник генератора.
84. Часть насоса, открывающая и закрывающая доступ воды в насос.
86. Процесс протекания электрического тока через газ.
87. Материал, модуль упругости которого 0,9 Гпа.
88. Тело, в котором элементарные токи ориентированы одинаково.
По горизонтали:
11. Физическая реальность, представляющая собой всё существующее в природе.
16. Свойство света быть частицей и волной одновременно.
17. Явление притяжения молекул жидкости к молекулам твёрдого тела.
18. Изменение формы тела.
19. Безжидкостный барометр.
20. Единица измерения массы.
21. Механизм для подачи воды из резервуара.
22. Вещество, используемое в термоядерной реакции.
24. Общее название тел, включённых в электрическую сеть.
26. Свойство объекта, воспринимаемое как осознанное зрительное ощущение.
29. Составляющая часть молекулы.
30. Тепловая машина, превращающая энергию топлива в механическую работу.
32. Независимость свойств от выбранного в кристалле направления.
34. Прибор для измерения относительной влажности, основная часть которого – волос.
35. Учёный, автор уравнения состояния идеального газа.
37. Прибор для измерения температуры.
38. Энергетическая характеристика электрического поля.
39. Человек, совершающий полёты в космос.
40. Часть электрической цепи, служащая для её механического замыкания и размыкания.
41. Полупроводниковый или вакуумный прибор с тремя электродами.
45. Отрицательно заряженный ион.
46. Жидкость, имеющая наибольшую удельную теплоёмкость.
47. Разность потенциалов.
48. Электрод транзистора, отделяющий эмиттер от коллектора.
49. Ёмкость для жидкости, газа.
51. Прибор, усиливающий свет при помощи индуцированного излучения.
52. Единица измерения электроёмкости в системе СИ.
53. Единица измерения силы электрического тока.
55. Радиоактивное вещество с периодом полураспада 4,5 млрд. лет.
58. Вещество, не проводящее электрический ток.
61. Единица измерения количества вещества в молекулярной физике.
63. Характерная окраска звука, сообщаемая ему обертонами.
64. Плоская часть поверхности кристалла.
65. Пустотелый предмет, служащий для усиления звука.
66. Действие ионизирующего излучения на что-либо.
67. Величина, равная изменению скорости в единицу времени.
68. Величина, равная отношению массы тела к его объёму.
69. Прибор, служащий для поддержания постоянной температуры раствора.
71. Воздушная оболочка Земли.
73. Установка для исследования строения атома.
76. Явление огибания волнами препятствий.
79. Видимый след элементарной частицы.
81. Вид материи, осуществляющий взаимодействие между электрическими зарядами.
85. Примесь в полупроводнике, увеличивающая число дырок.
89. Энергия, которую тело получает или теряет при теплопередаче.
90. Древний искусственный источник света.
91. Общее название частиц, участвующих в сильных взаимодействиях.
92. Прибор, регулирующий силу тока в цепи.
93. Отрицательно заряженный протон.
94. Увеличение веса при ускорении.
95. Учёный, развивший метод люминесцентного анализа химического состава вещества.
96. Величина, переносящаяся при волновом процессе.
