Номер 6, страница 123 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

6. В чем заключается метод спектрального анализа?

Спектральный анализ — это совокупность физических методов качественного и количественного определения состава вещества, основанных на изучении его спектров взаимодействия с электромагнитным излучением. Спектр представляет собой зависимость интенсивности излучения (или поглощения) от его частоты или длины волны.

В основе метода лежит фундаментальное свойство атомов (а также ионов и молекул) каждого химического элемента. Они способны излучать и поглощать электромагнитные волны только строго определенных, характерных для них частот. Это связано с тем, что согласно квантовой механике, электроны в атоме могут находиться только на дискретных энергетических уровнях. Переход электрона с более высокого энергетического уровня $E_m$ на более низкий $E_n$ сопровождается излучением кванта света (фотона). Наоборот, для перехода с низкого уровня на высокий атому необходимо поглотить фотон. Энергия этого фотона в обоих случаях равна разности энергий уровней, что описывается постулатом Бора:

$h\nu = E_m - E_n$

где $\text{h}$ — постоянная Планка, а $\nu$ — частота излученного или поглощенного света.

Поскольку набор энергетических уровней для каждого химического элемента уникален, то и набор частот в его спектре (линейчатый спектр) также является его уникальной характеристикой, подобно отпечатку пальца. Это позволяет однозначно идентифицировать элемент.

Различают два основных вида спектрального анализа:

Эмиссионный спектральный анализ (анализ по спектрам испускания)
В этом методе исследуемое вещество тем или иным способом возбуждают, то есть сообщают его атомам дополнительную энергию. Чаще всего это достигается нагреванием вещества до высокой температуры (в пламени, электрической дуге или искре). Возбужденные атомы, возвращаясь в свое основное (невозбужденное) состояние, испускают свет. Этот свет с помощью спектрального прибора (спектрографа или спектроскопа) разлагается в спектр. Полученный эмиссионный спектр состоит из набора отдельных ярких линий. По положению (длине волны) этих линий определяют качественный состав пробы, то есть какие элементы в ней содержатся. По интенсивности (яркости) линий можно определить концентрацию каждого элемента (количественный анализ).

Абсорбционный спектральный анализ (анализ по спектрам поглощения)
В этом случае через вещество (обычно в виде пара, газа или раствора) пропускают свет от источника, имеющего сплошной спектр (то есть содержащего волны всех частот). Атомы исследуемого вещества поглощают из этого потока излучение только тех частот, которые они сами способны испускать в возбужденном состоянии. В результате, когда прошедший через вещество свет разлагают в спектр, на фоне сплошной радужной полосы наблюдаются темные линии — линии поглощения. Положение этих темных линий точно соответствует положению ярких линий в эмиссионном спектре того же элемента. Это позволяет определить качественный состав вещества. Количественный анализ проводят, измеряя степень ослабления света на характерных для элемента частотах.

Метод спектрального анализа отличается чрезвычайно высокой чувствительностью (позволяет обнаруживать следовые количества вещества), высокой скоростью выполнения, а также возможностью проводить анализ на расстоянии, что незаменимо, например, в астрофизике для определения химического состава звезд и галактик.

Ответ: Метод спектрального анализа заключается в определении химического состава вещества по его оптическим спектрам испускания (эмиссионным) или поглощения (абсорбционным). Метод основан на уникальности спектров для каждого химического элемента: атомы каждого элемента излучают и поглощают свет только на строго определённых, характерных для них частотах. Анализируя расположение и интенсивность спектральных линий, можно установить качественный (какие элементы присутствуют) и количественный (какова их концентрация) состав исследуемого образца.