ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Тема: «ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРОСКОПА. НАБЛЮДЕНИЕ СПЕКТРА ПОГЛОЩЕНИЯ ОКСИГЕМОГЛОБИНА»

ЦЕЛЬ. Изучить теоретические основы спектрометрии, научиться получать спектры с помощью спектроскопа и анализировать их.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Спектроскоп, лампа накаливания, пробирка с кровью (оксигемоглобин), штатив, проволока с кусочком ваты, колбочка со спиртом, соль поваренная (хлористый натрий), спички.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ

1. Определение дисперсии света.

2. Ход лучей в спектроскопе.

3. Типы и виды спектров.

4. Правило Кирхгофа.

5. Особенности излучения и поглощения энергии атомами.

6. Понятие спектрометрии и спектроскопии.

7. Применение спектрометрии и спектроскопии в медицине.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Дисперсией световых волн называется явление, обусловленное зависимостью показателя преломления от длины волны.

Рис.1. Дисперсия света

Для многих прозрачных веществ показатель преломления возрастает с уменьшением длины волны, т.е. фиолетовые лучи преломляются сильнее красных, что соответствует нормальной дисперсии .

Распределение какого-либо излучения по длинам волн называется спектром этого излучения. Спектры, получаемые от светящихся тел, называются спектрами испускания. Спектры испускания бывают трех видов: сплошные , линейчатые и полосатые . Сплошной спектр, в котором спектральные линии непрерывно переходят одна в другую, дают накаленные

твердые, жидкие тела и газы при большом давлении.

Рис.2. Сплошной спектр испускания

Атомы нагретых разряженных газов или паров дают линейчатый спектр, состоящий из отдельных цветных линий. Каждый химический элемент имеет характерный для него линейчатый спектр.

Рис.3. Линейчатый спектр испускания

Полосатый (молекулярный спектр), состоящий из большого числа отдельных линий, сливающихся в полосы, дают светящиеся газы и пары.

Прозрачные вещества поглощают часть падающего на них излучения, поэтому в спектре, полученном после прохождения белого света через вещество, часть цветов исчезает, появляются тонкие линии или полосы.

Спектры, образованные совокупностью темных линий на фоне сплошного спектра раскаленных твердых, жидких или газообразных сред большой плотности, называются спектром поглощения .

Рис.4. Спектр поглощения

Согласно закону Кирхгофа, атомы или молекулы данного вещества поглощают свет тех же длин волн, которые они испускают в возбужденном состоянии.

Излучаемая атомами или молекулами энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая - спектр поглощения. Интенсивность спектральных линий определяется числом одинаковых переходов электронов с одного уровня на другой, происходящих в секунду, и поэтому зависит от количества излучаемых (поглощающих) атомов и вероятности соответствующего перехода. Структура уровней и, следовательно, спектров зависит не только от строения одиночного атома или молекулы, но и от внешних причин.

Спектры являются источником различной информации. Метод качественного и количественного анализа вещества по его спектру называется спектральным анализом . По наличию в спектре определенных спектральных линий можно обнаружить малые количества химических элементов (до 10-8 г), чего нельзя сделать химическими методами.

ВНЕШНИЙ ВИД СПЕКТРОСКОПА

УСТРОЙСТВО СПЕКТРОСКОПА

Спектроскоп имеет следующие основные части (рис. 6):

1. Коллиматор К, представляющий собой трубку с объективом О 1 на одном конце и со щелью Щ на другом. Щель коллиматора освещается

лампой накаливания. Так как щель находится в фокусе объектива О1 , то лучи света, выйдя из коллиматора, падают на призму П параллельным пучком.

2. П – призма, в которой происходит преломление и разложение пучка лучей по их длине волны.

3. Зрительная труба Т состоит из объектива О 2 и окуляра Ок . Объектив О2 служит для того, чтобы фокусировать вышедшие из призмы П

параллельные цветные лучи в своей фокальной плоскости. Окуляр Ок представляет собой лупу, через которую рассматривается изображение, даваемое объективом О2 .

Рис. 2. Устройство спектроскопа и образование спектра.

Образование спектра в спектроскопе происходит следующим образом. Каждая точка щели спектроскопа, освещенная источником света, посылает в объектив коллиматора лучи, выходящие из него параллельным пучком. Выйдя из объектива, параллельный пучок падает на переднюю грань призмы П. После преломления на ее передней грани пучок разделяется на ряд параллельных монохроматических пучков, идущих по разным направлениям в соответствии с различным преломлением лучей разных длин волн. На рисунке 6 изображены всего два таких пучка - например, красного и фиолетового цвета определенных длин волн. После преломления на задней грани призмы П лучи выходят в воздух по-прежнему в виде пучков параллельных лучей, составляющих друг с другом некоторый угол.

Преломившись в объективе О2 , параллельные пучки лучей различных длин волн соберутся каждый в своей точке задней фокальной плоскости объектива. В этой плоскости получится спектр: ряд цветных изображений входной щели, число которых равно количеству различных монохроматических излучений, имеющихся в свете.

Окуляр Ок располагается так, чтобы полученный спектр находился в его фокальной плоскости, которая должна совпадать с задней фокальной плоскостью объектива О2 . В этом случае глаз будет работать без напряжения, т.к. от каждого изображения спектральной линии в него будут входить параллельные пучки лучей.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что понимают под дисперсией света?

2. Что такое спектр?

3. Какой спектр называется непрерывным или сплошным?

4. Излучения каких тел дают полосатые спектры?

5. Какие тела при излучении дают линейчатый спектр? Что он из себя представляет?

6. Объясните образование спектров в спектроскопе.

7. Правило Кирхгофа.

8. Что называется спектральным анализом?

9. Применение спектрального анализа.

10. Какие тела называются белыми, черными, прозрачными?

Цель: показать практическую значимость спектрального анализа. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка домашнего задания.

В чем заключается сущность модели Томсона?

- Начертите и объясните схему опыта Резерфорда по рассеива­нию а-частиц. Что наблюдаем в этом опыте?

- Объясните причину рассеивания а-частиц атомами вещества?

- В чем сущность планетарной модели атома?

III . Изучение нового материала

Слово «спектр» в физику ввел Ньютон, использовавший его в своих научных трудах. В переводе с классической латыни слово «спектр» означает «дух», «приведение», что довольно точно отража­ет суть явления - возникновение праздничной радуги при прохожде­нии бесцветного солнечного света через прозрачную призму.

Все источники не дают свет строго определенной длины волны. Распределение излучения по частотам характеризуется спектральной плотностью интенсивности излучения.

Типы спектров

Спектры испускания

Совокупность частот (или длин волн), которые содержатся в из­лучении какого-либо вещества, называют спектром испускания. Они бывают трех видов.

Сплошной - это спектр, содержащий все длины волны опреде­ленного диапазона от красного с у к = 7,6 10 7 и до фиолетового

у ф = 4-10 11 м. Сплошной спектр излучают нагретые твердые и жид­кие вещества, газы, нагретые под большим давлением.

Линейчатый - это спектр, испускаемый газами, парами малой плотности в атомарном состоянии. Состоит из отдельных линий раз­ного или одного цвета, имеющих разные расположения. Каждый атом излучает набор электромагнитных волн определенных частот. Поэтому каждый химический элемент имеет свой спектр.

Полосатый - это спектр, который испускается газом в молеку­лярном состоянии.

Линейчатые и полосатые спектры можно получить путем нагрева вещества или пропускания электрического тока.

Спектры поглощения

Спектры поглощения получают, пропуская свет от источника, дающего сплошной спектр, через вещество, атомы которого нахо­дятся в невозбужденном состоянии.

Спектр поглощения - это совокупность частот, поглощаемых данным веществом. Согласно закону Кирхгофа, вещество поглощает те линии спектра, которые и испускает, являясь источником света.

Открытие спектрального анализа вызвало живой интерес даже у публики, далекой от науки, что по тем временам случалось весьма не часто. Как всегда в таких случаях, досужие любители отыскали множество других ученых, которые якобы все сделали задолго до Кирхгофа и Бунзена. В отличие от множества своих предшественни­ков, Кирхгоф и Бунзен сразу же поняли значение своего открытия.

Они впервые отчетливо уяснили себе (и убедили в этом других), что спектральные линии - это характеристика атомов вещества.

После открытия Кирхгофа и Бунзена 18 августа 1868 г. француз­ский астроном Пьер-Жюль-Сезар Жансен (1824-1907) во время сол­нечного затмения в Индии наблюдал в спектре солнечной короны желтую линию неизвестной природы. Два месяца спустя английский физик Джозеф Норманн Локьер (1836-1920) научился наблюдать корону Солнца не дожидаясь солнечных затмений и при этом обна­ружил в ее спектре ту же желтую линию. Неизвестный элемент, ко­торый его испускал, он назвал гелием, т. е. солнечным элементом.

Оба ученых написали о своем открытии письма во Французскую академию наук, оба письма пришли одновременно и были зачитаны на заседании Академии 26 октября 1868 г. Такое совпадение порази­ло академиков, и они решили в честь этого события выбить памят­ную золотую медаль - с одной стороны профиль Жансена и Локьера, с другой - бог Апполон на колеснице и надпись: «Анализ солнечных протуберанцев».

На Земле гелий был открыт в 1895 г. Уильямом Рамзаем в мине­ралах тория.

Исследования спектров испускания и поглощения позволяет ус­тановить качественный состав вещества. Количественное содержа­ние элемента в соединении определяется путем измерения яркости спектральных линий.

Метод определения качественного и количественного состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. Зная длины волн, испускаемых различными парами, можно установить наличие тех или иных элементов вещества. Этот метод очень чувст­вительный. Можно обнаружить элемент, масса которого не превы­шает 10~ 10 г. Спектральный анализ сыграл большую роль в науке. С его помощью был изучен состав звезд.

Благодаря сравнительной простоте и универсальности, спек­тральный анализ является основным методом контроля состава ве­щества в металлургии и машиностроении. С помощью спектрально­го анализа определяют химический состав руд и минералов. Спек­тральный анализ можно проводить как по спектрам поглощения, так и по спектрам испускания. Состав сложных смесей анализируется по молекулярному спектру.

IV . Закрепление изученного материала

- Линейчатые спектры излучения дают возбужденные атомы, ко­торые не взаимодействуют между собой. Какие тела имеют ли­нейчатый спектр излучения? (Сильно разряженные газы и не­насыщенные пары.)

- Какой спектр дают раскаленные добела металлы, расплавлен­ный металл? (Сплошной.)

- Какой спектр можно наблюдать с помощью спектроскопа от раскаленной спирали электрической лампы? (Сплошной.)

- В какой агрегатном состоянии в лабораториях спектрального анализа исследуют любое вещество для определения его эле­ментарного состава? (В газообразном.)

- Почему в спектре поглощения одного и того же химического элемента темные линии точно расположены в местах цветных линий линейчатого спектра излучения? (Атомы каждого хи­мического элемента поглощают только те лучи спектра, ко­торые они сами излучают.)

- Что определяется по линиям поглощения солнечного спектра? (Химический состав атмосферы Солнца.)

V . Подведение итогов урока

Домашнее задание

§ 54. вопросы для самоконтроля из учебника

Темы кодификатора ЕГЭ : линейчатые спектры.

Если пропустить солнечный свет через стеклянную призму или дифракционную решётку, то возникнет хорошо известный вам непрерывный спектр (рис. 1 )(Изображения на рис. 1 , 2 и 3 взяты с сайта www.nanospectrum.ru):

Рис. 1. Непрерывный спектр

Спектр называется непрерывным потому, что в нём присутствуют все длины волн видимого диапазона - от красной границы до фиолетовой. Мы наблюдаем непрерывный спектр в виде сплошной полосы, состоящей из разных цветов.

Непрерывным спектром обладает не только солнечный свет, но и, например, свет электрической лампочки. Вообще, оказывается, что любые твёрдые и жидкие тела (а также весьма плотные газы), нагретые до высокой температуры, дают излучение с непрерывным спектром.

Ситуация качественно меняется, когда мы наблюдаем свечение разреженных газов. Спектр перестаёт быть непрерывным: в нём появляются разрывы, увеличивающиеся по мере разрежения газа. В предельном случае чрезвычайно разреженного атомарного газа спектр становится линейчатым - состоящим из отдельных достаточно тонких линий.

Мы рассмотрим два типа линейчатых спектров: спектр испускания и спектр поглощения.

Спектр испускания

Предположим, что газ состоит из атомов некоторого химического элемента и разрежен настолько, что атомы почти не взаимодействуют друг с другом. Раскладывая в спектр излучение такого газа (нагретого до достаточно высокой температуры), мы увидим примерно следующую картину (рис. 2 ):

Рис. 2. Линейчатый спектр испускания

Этот линейчатый спектр, образованный тонкими изолированными разноцветными линиями, называется спектром испускания .

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 атомы сами по себе . Таким образом, атом характеризуется дискретным, строго определённым набором длин волн излучаемого света . У каждого химического элемента, как мы уже сказали, этот набор свой.

Спектр поглощения

Атомы излучают свет, переходя из возбуждённого состояния в основное. Но вещество может не только излучать, но и поглощать свет. Атом, поглощая свет, совершает обратный процесс - переходит из основного состояния в возбуждённое.

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 возбуждённом состоянии оказывается для этого слишком мало.

Если сквозь наш холодный газ пропустить свет с непрерывным спектром, то можно увидеть что-то вроде этого (рис. 3 ):

Рис. 3. Линейчатый спектр поглощения

На фоне непрерывного спектра падающего света появляются тёмные линии, которые образуют так называемый спектр поглощения . Откуда берутся эти линии?

Под действием падающего света атомы газа переходят в возбуждённое состояние. При этом оказывается, что для возбуждения атомов годятся не любые длины волн, а лишь некоторые, строго определённые для данного сорта 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! Тёмные линии в спектре поглощения газа в точности соответствуют ярким линиям его спектра испускания. На рис. 4 сопоставлены спектры испускания и поглощения разреженных паров натрия (изображение с сайта www.nt.ntnu.no):

Рис. 4. Спектры поглощения и испускания для натрия

Впечатляющее совпадение линий, не правда ли?

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!

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.

Строению атома будет посвящён следующий листок.

Спектральный анализ

Использование линейчатых спектров в качестве уникальных «паспортов» химических элементов лежит в основе спектрального анализа - метода исследования химического состава вещества по его спектру.
Идея спектрального анализа 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 определённых условиях методом спектрального анализа можно определить химический состав не только качественно, но и количественно.

В результате наблюдения различных спектров были открыты новые химические элементы.

Первыми из таких элементов были цезий и рубидий; они получили название по цвету линий своего спектра (В спектре цезия наиболее выражены две линии небесно-синего цвета, по-латыни называемого caesius. Рубидий же даёт две характерные линии рубинового цвета).

В 1868 году в спектре Солнца были обнаружены линии, не соответствующие ни одному из известных химических элементов. Новый элемент был назван гелием (от греческого гелиос - солнце). Впоследствии гелий был обнаружен в атмосфере Земли.

Вообще, спектральный анализ излучения Солнца и звёзд показал, что все входящие в их состав входят элементы имеются и на Земле. Таким образом, оказалось, что все объекты Вселенной собраны из одного и того же «набора кирпичиков».

«Ультрафиолетовое излучение» - Возникновение у группы людей фотоаллергии. Вредное действие. Озоновый слой. Длина волны – от 10 до 400 нм. Важным свойством УФ- излучения является бактерицидное действие. Приёмники излучения. Солнце, звёзды, туманности и другие космические объекты. Частота волн – от 800*10?? до 3000*10 ??Гц. Источники и приёмники.

«УФ излучение» - Вакуумное УФ излучение до 130 нм. Ультрафиолетовое излучение. Спектр Ультрафиолетового излучения. Источники Ультрафиолетового излучения. Биологическое действие Ультрафиолетового излучения. Например, обычное стекло непрозрачно при 320 нм. Ультрафиолетовые лучи,УФ излучение. Интересные факты об УФ излучении.

«Излучения» - Оригинальность – донести теоретический и физический смысл влияния излучений на человека. По завершению проекта, учащиеся должны предоставить проекты решения проблемы. Критерии оценивания. Презентация учителя. Защитить свой проект. Как влияют электромагнитные излучения на человеческий организм? Учебно-методический материал.

«Видимое излучение» - Наиболее опасно, когда излучение не сопровождается видимым светом. Инфракрасное излучение испускают возбуждённые атомы или ионы. В таких местах необходимо надевать специальные защитные очки для глаз. Применение. Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем. С видимым излучением соседствует инфракрасное.

«Свойства электромагнитных излучений» - Влияние на здоровье человека. Волновой и частотный диапазон. Первооткрыватели. Основные свойства. Электромагнитное излучение. Дно каньона. Способы защиты. Инфракрасное излучение. Применение в технике. Источники излучения.

«Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение» - Иоганн Вильгельм Риттер и Волластон Уильям Хайд(1801). Люминесцентные лампы Кварцевание инструмента в лаборатории Солярий. Инфракрасная фотография(справа, видны вены) Инфракрасная сауна. Ионизирует воздух. Убивает бактерии. Солнце Ртутно-кварцевые лампы. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. УФИ в малых дозах.