Номер 5, страница 242 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

5. В чём заключается суть закона Кирхгофа, касающегося линейчатых спектров испускания и поглощения?

5. В чём заключается суть закона Кирхгофа, касающегося линейчатых спектров испускания и поглощения?

Закон Кирхгофа для теплового излучения, применительно к спектрам, устанавливает фундаментальную связь между способностью вещества испускать и поглощать электромагнитное излучение. Суть закона можно сформулировать следующим образом: вещество поглощает излучение на тех же длинах волн (или частотах), на которых оно само способно испускать при той же температуре.

Рассмотрим это на примере атомарных газов, которые дают линейчатые спектры:

• Спектр поглощения: Если пропустить свет от источника с непрерывным спектром (например, от раскалённого твёрдого тела) через холодный, разреженный газ, то на фоне сплошной радужной полосы появятся тёмные линии. Эти линии называются линиями поглощения. Они возникают потому, что атомы газа избирательно поглощают фотоны только с определёнными энергиями, которые соответствуют разности энергий между их электронными уровнями.
• Спектр испускания: Если этот же газ нагреть до высокой температуры (или иным образом возбудить его атомы, например, электрическим разрядом), он начнёт сам светиться. Спектр этого свечения будет состоять из набора ярких цветных линий на тёмном фоне. Это линии испускания. Они образуются, когда возбуждённые электроны в атомах возвращаются на более низкие энергетические уровни, излучая при этом фотоны строго определённых энергий.

Закон Кирхгофа утверждает, что тёмные линии в спектре поглощения данного химического элемента будут находиться в точности на тех же местах (иметь те же длины волн), что и яркие линии в его спектре испускания. Например, если холодный натриевый пар поглощает свет на длине волны 589 нм (создавая тёмную линию в жёлтой части спектра), то при нагревании он будет испускать свет преимущественно на этой же длине волны (создавая яркую жёлтую линию).

Физическая основа этого закона лежит в квантовой природе атома. Атом может поглотить фотон с энергией $E_{ф} = E_{2} - E_{1}$ для перехода с нижнего энергетического уровня $E_{1}$ на верхний $E_{2}$. При обратном переходе с уровня $E_{2}$ на $E_{1}$ он излучит фотон с точно такой же энергией. Поскольку энергия фотона связана с частотой $\nu$ и длиной волны $\lambda$ формулой $E_{ф} = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$ (где $h$ — постоянная Планка, $c$ — скорость света), то и частоты (длины волн) поглощаемого и испускаемого света для данного перехода совпадают.

Ответ: Суть закона Кирхгофа заключается в том, что любое вещество поглощает электромагнитные волны тех же частот, которые оно испускает в нагретом состоянии. Таким образом, линейчатый спектр поглощения химического элемента является "негативом" его линейчатого спектра испускания.

6*. Что такое спектральный анализ и как он применяется?

Спектральный анализ — это совокупность методов физического исследования, используемых для определения химического состава (качественного и количественного), а также физических характеристик (температуры, давления, скорости и т.д.) вещества по его спектрам испускания, поглощения, отражения или рассеяния света.

В основе спектрального анализа лежит тот факт, что каждый химический элемент (в атомарном состоянии) обладает уникальным, неповторимым набором спектральных линий. Этот набор линий служит своего рода "отпечатком пальца" или "паспортом" элемента, что позволяет однозначно его идентифицировать.

• Качественный анализ заключается в определении химических элементов, входящих в состав образца. Для этого полученный спектр исследуемого вещества сравнивают с эталонными спектрами известных элементов. Совпадение положения линий в спектре образца с линиями в спектре эталона указывает на наличие данного элемента в образце.
• Количественный анализ позволяет определить концентрацию или массу элемента в веществе. Он основан на том, что яркость (интенсивность) спектральных линий зависит от количества атомов данного элемента в источнике света.

Применение спектрального анализа чрезвычайно широко и охватывает множество областей науки и техники:

1. Астрофизика: Это основной метод получения информации о небесных телах. С его помощью определяют химический состав звёзд, планет, туманностей и межзвёздного газа, их температуру, давление, скорость движения (по эффекту Доплера), наличие магнитных полей (по эффекту Зеемана). Именно благодаря спектральному анализу солнечного света был открыт гелий.
2. Промышленность и металлургия: Быстрый контроль состава сплавов (например, стали и чугуна) прямо в процессе плавки, анализ чистоты материалов в полупроводниковой и атомной промышленности.
3. Геология и добыча полезных ископаемых: Экспресс-анализ руд и минералов для определения содержания в них ценных элементов.
4. Криминалистика: Обнаружение и идентификация мельчайших следов веществ (ядов, наркотиков, пороховых газов, частиц металла) на месте преступления.
5. Экология и охрана окружающей среды: Мониторинг состава промышленных выбросов, анализ чистоты воздуха, воды и почвы на содержание вредных примесей и тяжёлых металлов.
6. Химия: Установление структуры молекул (молекулярный спектральный анализ) и контроль за ходом химических реакций.
7. Медицина и биология: Анализ микроэлементного состава биологических тканей и жидкостей для диагностики заболеваний.

Ответ: Спектральный анализ — это метод определения состава и свойств вещества по его спектрам. Он основан на уникальности спектров для каждого химического элемента. Применяется для определения химического состава звёзд и планет, в металлургии для контроля качества сплавов, в криминалистике для анализа улик, в экологии для мониторинга загрязнений и во многих других областях.