Номер 2, страница 270 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Глава 3. Световые явления. Электромагнитные волны. Итоги главы 3. Проекты и исследования - номер 2, страница 270.

Условие.

2. «Метод спектрального анализа и его применение в науке и технике» (возможная форма: презентация, опыт, реферат).

Решение.

Решение 2.

Спектральный анализ — это совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении его спектров взаимодействия с излучением. Основы метода были заложены в середине XIX века Густавом Кирхгофом и Робертом Бунзеном, которые установили, что каждый химический элемент имеет свой уникальный, неповторимый линейчатый спектр, подобно отпечаткам пальцев у человека.

Сущность метода спектрального анализа

В основе метода лежит явление дисперсии света — разложение света в спектр при прохождении через преломляющую среду (например, стеклянную призму) или дифракционную решётку. Анализ полученного спектра позволяет сделать выводы о составе исследуемого вещества. Различают два основных типа спектров, используемых в анализе:

1. Спектры испускания (эмиссионные). Их получают, когда вещество находится в возбужденном атомарном состоянии, например, при нагревании в пламени или в электрическом разряде. Возбужденные атомы, возвращаясь в основное состояние, излучают свет на строго определённых длинах волн (частотах). Этот свет, разложенный в спектр, представляет собой набор ярких цветных линий на тёмном фоне. Положение этих линий уникально для каждого химического элемента.

2. Спектры поглощения (абсорбционные). Их получают, пропуская через холодное, невозбужденное вещество (обычно газ или раствор) сплошной спектр света (например, от лампы накаливания). Атомы вещества поглощают свет именно тех длин волн, которые они сами могли бы испускать в возбужденном состоянии. В результате на фоне сплошного радужного спектра появляются тёмные линии — линии поглощения. Их расположение также строго соответствует химическому составу вещества.

С точки зрения квантовой физики, возникновение линейчатых спектров объясняется переходами электронов в атомах между дискретными энергетическими уровнями. Энергия излучённого или поглощённого фотона равна разности энергий уровней, между которыми происходит переход: $\Delta E = E_k - E_i = h\nu$, где $h$ — постоянная Планка, а $\nu$ — частота света.

Ответ: Спектральный анализ — это метод определения состава вещества по его уникальному спектру испускания или поглощения, который возникает из-за переходов электронов между энергетическими уровнями в атомах.

Виды спектрального анализа

Спектральный анализ классифицируют по нескольким признакам:

По физической природе:

• Атомный анализ — определяет элементный состав вещества. Атомы исследуемого образца возбуждаются, и анализируется спектр их излучения или поглощения.
• Молекулярный анализ — определяет молекулярный состав. Он основан на изучении спектров поглощения, испускания и комбинационного рассеяния света молекулами. Эти спектры, в отличие от атомных, являются полосатыми, так как связаны с колебательными и вращательными движениями атомов в молекуле.

По способу получения спектра:

• Эмиссионный (испускательный) — анализируется спектр излучения самого вещества.
• Абсорбционный (поглощательный) — анализируется спектр света, прошедшего через вещество.
• Люминесцентный — анализируется спектр свечения вещества, возбужденного светом (фотолюминесценция).

По диапазону длин волн:

• Рентгеновский, ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный и микроволновый анализ.

Ответ: Спектральный анализ делится на атомный и молекулярный, эмиссионный и абсорбционный, а также различается по используемому диапазону электромагнитных волн.

Применение в науке

Спектральный анализ является одним из мощнейших инструментов современных научных исследований.

Астрофизика: Практически вся информация о химическом составе, температуре, давлении, скорости движения и магнитных полях далёких звёзд, галактик и туманностей получена с помощью спектрального анализа их излучения. Именно благодаря анализу спектра Солнца был открыт гелий. Анализ красного смещения в спектрах далёких галактик (эффект Доплера) стал основой для теории расширяющейся Вселенной.

Химия: В аналитической химии метод используется для высокоточного качественного (обнаружение примесей до $10^{-10}$ г) и количественного определения состава веществ. Молекулярная спектроскопия позволяет изучать строение молекул, природу химических связей и следить за ходом химических реакций.

Физика: Спектроскопия послужила экспериментальной основой для создания квантовой механики. Сегодня она используется для изучения энергетической структуры атомов и молекул, диагностики плазмы, исследования свойств твёрдых тел.

Биология и медицина: Анализ микроэлементного состава биологических тканей и жидкостей помогает в диагностике многих заболеваний. Метод используется для контроля качества и подлинности лекарственных препаратов.

Ответ: В науке спектральный анализ незаменим для изучения космоса, определения состава и структуры химических соединений, подтверждения фундаментальных физических теорий и для решения задач в области биологии и медицины.

Применение в технике

Благодаря своей высокой чувствительности, точности и скорости, спектральный анализ нашёл широчайшее применение в различных отраслях промышленности и техники.

Металлургия: Экспресс-анализ состава руды, шлаков и готовых сплавов прямо в процессе плавки позволяет оперативно управлять технологическим процессом и получать металлы с заданными свойствами. Это значительно повышает качество продукции и экономит ресурсы.

Машиностроение: Контроль качества материалов, из которых изготавливаются детали машин. Особое значение имеет анализ моторных масел на содержание продуктов износа (металлов), что позволяет диагностировать состояние двигателя без его разборки и предотвращать серьёзные поломки.

Геология: Поиск и разведка месторождений полезных ископаемых путём анализа элементного состава проб грунта, горных пород и воды. Дистанционное зондирование Земли с использованием спектрометров позволяет составлять карты распределения минералов.

Экология: Мониторинг состояния окружающей среды. С помощью спектрального анализа определяют наличие и концентрацию вредных веществ (тяжёлых металлов, пестицидов) в атмосфере, воде и почве.

Криминалистика: Анализ микрочастиц, найденных на месте преступления (частиц краски с автомобиля, волокон ткани, следов пороха), помогает установить важные детали происшествия и найти виновных.

Искусствоведение: Неразрушающий анализ состава красок и материалов, из которых сделаны произведения искусства, помогает установить их подлинность, возраст и технологию изготовления.

Ответ: В технике спектральный анализ используется для контроля качества продукции в металлургии и машиностроении, в геологоразведке, для мониторинга экологии, в криминалистике и для экспертизы произведений искусства.