Лабораторная работа №6, страница 315 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Лабораторная работа № 6

Наблюдение сплошного и линейчатого спектров излучения

Цель работы: Сравнить сплошной и линейчатый спектры излучения. Идентифицировать газ, заполняющий спектральную трубку, по линиям спектра излучения. Выявить зависимость ширины линий спектра от преломляющего угла призмы.

Оборудование: Проекционный аппарат, спектральные трубки с водородом, неоном или гелием, высоковольтный индуктор, источник питания, штатив, соединительные провода, люминесцентная лампа (эти приборы являются общими для всего класса), стеклянная пластина со скошенными гранями (выдается каждому).

Краткая теория:

Нагретые тела излучают, но диапазон частот в их излучении может отличаться. Поэтому спектры бывают сплошными, линейчатыми, полосатыми. По виду спектра можно определить, какой газ содержится в светящейся трубке. Для наблюдения спектров используют призмы или дифракционные решетки. Преломляющий угол призмы определяет отклонение луча от первоначального направления и ширину спектра.

Задание 1. Наблюдение сплошного спектра

Порядок выполнения работы:

1. Расположите стеклянную пластину перед глазом горизонтально. Сквозь грани, составляющие угол $45^\circ$ пронаблюдайте светлую вертикальную полоску на экране - изображение раздвижной щели проекционного аппарата.

2. Выделите основные цвета полученного сплошного спектра и запишите их в наблюдаемой последовательности:

3. Повторите опыт, рассматривая полоску через грани, образующие угол $60^\circ$. Запишите различия в виде спектров.

Задание 2. Наблюдение линейчатых спектров излучения

Порядок выполнения работы:

1. Рассмотрите спектр люминесцентной лампы, найдите желтую, зеленую и фиолетовые линии, характерные для спектра паров ртути.

2. Рассмотрите линейчатые спектры светящихся спектральных трубок сквозь грани стеклянной призмы. Запишите в таблицу цвета наиболее ярких линий наблюдаемых спектров, укажите, какая зависимость ширины спектра от преломляющего угла призмы.

Таблица 8

№ опыта Вид спектра Линии в спектре Источник излучения (газ в трубке) Зависимость ширины спектра от преломляющего угла призмы

$45^\circ$ $60^\circ$

1 Линейчатый

2 спектр

3 излучения

3. Сравните линии спектров, записанные вами, с линиями спектров в излучении различных газов, представленных в таблице 9.

Таблица 9

Видимые цвета линии в спектрах газов

Водород Фиолетовый, синий, зеленый, красный

Гелий Синий, голубой, зеленый, оранжевый, красный

Неон Множество зеленых линий, желтый, множество оранжевых и красных линий. Преобладание красных линий

Криптон Преобладание синих и голубых линий; одиночные: зеленая, желтая и оранжевая линии

Аргон Фиолетовые и синие линии; одиночные: голубая, зеленая, желтая, оранжевая

4. Определите, каким газом заполнена каждая из наблюдаемых вами трубок.

5. Запишите вывод, сравнив рассмотренные вами спектры.

Контрольные вопросы

1. Как определяют состав газов методом спектрального анализа?

2. Как преломляющий угол призмы влияет на качество наблюдаемого спектра?

3. Когда возникает спектр поглощения и чем он отличается от сплошного спектра, линейчатого?

1. Как определяют состав газов методом спектрального анализа?

Метод спектрального анализа для определения состава газов основан на фундаментальном свойстве атомов каждого химического элемента: они способны излучать и поглощать свет только на строго определенных, характерных для них длинах волн. Это приводит к тому, что каждый элемент имеет свой уникальный, неповторимый спектр, который служит его "отпечатком пальца".

Процедура определения состава газа выглядит следующим образом:

1. Получение спектра: Газ возбуждают, например, нагревая его до высокой температуры или пропуская через него электрический разряд. В результате атомы газа начинают излучать свет.

2. Разложение света: Этот свет направляют на спектральный прибор (спектроскоп или спектрограф), в котором в качестве диспергирующего элемента используется призма или дифракционная решетка. Прибор разлагает свет в спектр, то есть разделяет его на составляющие по длинам волн.

3. Анализ спектра: Поскольку возбужденный разреженный газ излучает свет не во всем диапазоне длин волн, а только на дискретных частотах, его спектр представляет собой набор отдельных ярких цветных линий на темном фоне. Это так называемый линейчатый спектр излучения.

4. Идентификация: Полученный линейчатый спектр сравнивают с эталонными спектрами, которые содержатся в специальных атласах и базах данных. Если положение линий в спектре исследуемого газа совпадает с положением линий в эталонном спектре, например, водорода, делают вывод о наличии водорода в данном газе. Если газ представляет собой смесь, то его спектр будет содержать линии, характерные для всех элементов, входящих в его состав.

Ответ: Состав газа определяют путем анализа его линейчатого спектра излучения. Газ возбуждают, и испускаемый им свет разлагают с помощью спектрального прибора. Полученный набор спектральных линий является уникальным для каждого химического элемента. Сравнивая этот набор с известными эталонными спектрами, можно точно определить, какие химические элементы присутствуют в исследуемом газе.

2. Как преломляющий угол призмы влияет на качество наблюдаемого спектра?

Преломляющий угол призмы — это угол между двумя гранями призмы, через которые проходит свет. Этот параметр напрямую влияет на дисперсию света и, следовательно, на "качество" получаемого спектра, под которым обычно понимают его ширину и четкость (разрешение).

Влияние заключается в следующем. Явление разложения света в спектр называется дисперсией. Оно возникает из-за того, что показатель преломления ($\text{n}$) материала призмы зависит от длины волны света ($\lambda$). Угловая дисперсия, которая характеризует степень разделения лучей разных цветов, тем больше, чем больше преломляющий угол призмы ($\text{A}$).

С увеличением преломляющего угла увеличивается и общий угол отклонения лучей призмой. Что более важно, увеличивается угловое расстояние между лучами разных длин волн (например, между красным и фиолетовым). Это приводит к тому, что спектр становится шире, он "растягивается".

Когда спектр растянут, расстояние между близко расположенными спектральными линиями увеличивается. Это позволяет лучше их различать и анализировать. Способность прибора разделять близкие линии называется его разрешающей способностью. Таким образом, призма с большим преломляющим углом обеспечивает большее разрешение и делает детали спектра более заметными.

Ответ: Преломляющий угол призмы напрямую влияет на качество спектра. С увеличением преломляющего угла возрастает угловая дисперсия, что приводит к растяжению спектра — он становится шире. Это, в свою очередь, улучшает разрешение, позволяя лучше различать близко расположенные спектральные линии, и делает анализ спектра более детальным.

3. Когда возникает спектр поглощения и чем он отличается от сплошного спектра, линейчатого?

Спектр поглощения возникает, когда свет, имеющий сплошной спектр (т.е. содержащий все длины волн в некотором диапазоне), проходит через холодное (относительно источника света), несамосветящееся вещество, чаще всего — через разреженный газ. Атомы этого газа избирательно поглощают фотоны тех энергий (и, соответственно, тех длин волн), которые они сами могли бы испустить в возбужденном состоянии. В результате на фоне сплошного спектра появляются темные линии.

Отличия между этими тремя видами спектров заключаются как во внешнем виде, так и в механизме возникновения. Сплошной (непрерывный) спектр — это непрерывная цветная полоса, содержащая все цвета радуги, плавно переходящие друг в друга. Его излучают сильно нагретые плотные тела (твердые, жидкие или газы под большим давлением). Линейчатый спектр излучения, наоборот, состоит из отдельных ярких цветных линий на темном фоне. Его создают разреженные газы или пары, атомы которых возбуждены (например, нагревом) и испускают свет на строго определенных длинах волн. Спектр поглощения же представляет собой темные линии на фоне сплошного спектра. Эти линии появляются в точности на тех длинах волн, где у того же вещества были бы яркие линии в спектре излучения. Таким образом, спектры излучения показывают, какие длины волн вещество испускает, а спектр поглощения — какие поглощает из проходящего через него света.

Ответ: Спектр поглощения возникает, когда свет от источника сплошного спектра проходит через более холодный газ. Он выглядит как сплошной спектр, перечеркнутый темными линиями. В отличие от него, сплошной спектр — это непрерывная полоса всех цветов, излучаемая горячими плотными телами, а линейчатый спектр излучения — это набор ярких линий на темном фоне, испускаемых горячим разреженным газом. Темные линии в спектре поглощения соответствуют тем длинам волн, которые газ поглощает, и их положение совпадает с положением ярких линий в спектре излучения того же газа.