Излучения и спектры
материал по физике

Излучения и спектры. Спектральный анализ

План-конспект интегрированного урока ФИЗИКА+ХИМИЯ. 
11-й класс

Цель урока: показать на примере рассмотрения спектров и спектрального анализа тенденции современных наук к интеграции, возможность совершения открытий и получения новых знаний на стыке наук, в частности, физики и химии.

Задачи урока: познакомить учащихся со спектрами и спектральным анализом; рассказать о применении спектрального анализа; научить определять по спектру химические элементы; закрепить умения пользоваться справочной литературой и делать соответствующие выводы.

Ход урока

1. I. Актуализация знаний

На сегодняшнем уроке мы узнаем, как научные открытия позволяют человеку улучшать свою жизнь, развивая технику. Сейчас большинство открытий происходит на стыке фундаментальных наук, рождаются новые области исследований. Примером может служить бурно развивающаяся физическая химия. Вспомним материал предыдущих уроков: что такое свет? как происходит излучение и поглощение света? в чём суть постулатов Бора? что необходимо сделать, чтобы вещество излучало свет?

2. II. Объяснение нового материала

1. Классификация источников света 

Источники света различаются по виду излучения, которое определяется способом возбуждения атомов (молекул): 1) тепловое излучение – возбуждаемое за счёт кинетической энергии теплового движения атомов (молекул) излучающего тела (Солнце, лампа накаливания); 2) люминесценция – длительное излучение, дополнительное к тепловому, – возбуждается за счёт источников других видов энергии, отличных от внутренней энергии теплового движения.

2. Виды люминесценции и их использование

– Электролюминесценция – возбуждение за счёт энергии заряженных частиц, разгоняющихся в электрическом поле. Полярное сияние, рекламные трубки.

– Фотолюминесценция – возбуждение за счёт внешнего излучения:  изл >  пад. Работы С.И.Вавилова (1891–1951). Лампы дневного света.

– Катодолюминесценция – возбуждение за счёт химических процессов в твёрдых телах (люминофорах) при их бомбардировке электронами, движущимися с высокими скоростями. Неорганические люминофоры (фосфоры) – главным образом, соли элементов I и II групп, активированные тяжёлыми металлами Cu, Ag, Te; используются для изготовления люминесцентных ламп, телевизионных трубок, экранов радиолокаторов, а также как средство рентгенодиагностики. Органические люминофоры (люминоры) – полициклические ароматические углеводороды (терфенил, антрацен и т.д.), многие азот- и кислородсодержащие гетероциклические соединения, излучающие не только в твёрдом, но и в жидком состоянии; применяются как активные среды в лазерах и люминесцентных анализаторах, а также как оптические отбеливатели, дневные флюоресцирующие краски, люминесцентные красители для пластмасс и волокон.

– Хемилюминесценция – свечение, возникающее за счёт энергии химических реакций, в основном в продуктах реакции. В газах наблюдается чаще всего в экзотермических реакциях с участием свободных радикалов и атомов, например: NO + O   NO2 или F + H2   HF + H; в растворах – при образовании p-связей (например, в молекулах изомерных производных бензола). Частный случай хемилюминесценции – биолюминесценция, свечение специализированных органов некоторых живых организмов за счёт ферментативного окисления кислородом воздуха специфических веществ – люциферинов. КПД хемилюминесценции составляет 1–30%, а биолюминесценция достигает 100% (у светляков).

3. Спектры. Спектральные аппараты

Исследования различных источников излучения проводят, изучая их спектры. Раздел физики, который занимается изучением закономерностей взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, сопровождающегося излучением и поглощением, называется спектроскопией.

4. Виды спектров

• Спектры излучения:

– непрерывные: твёрдые, жидкие вещества и сжатые газы;

– линейчатые: вещества в газообразном атомарном состоянии (пары, газовый разряд), излучение на строго определённых частотах – серия Бальмера (сходство с выводом Бора);

– полосатые: молекулы, изолированные друг от друга.

Исследуются спектры излучения с помощью прибора спектрографа.

5. Спектральный анализ

Спектральный анализ – метод определения химического состава вещества по его спектру (запись в тетрадь).

Эмиссионный спектральный анализ основан на способности возбуждённых атомов излучать. Если анализируемое вещество испарить, например, в электрической дуге, т.е. сообщить его атомам энергию и перевести их в возбуждённое состояние, то вещество начинает светиться. Атомы каждого элемента испускают излучение определённых длин волн, что позволяет определить, какие элементы входят в состав анализируемого вещества. Поскольку интенсивность излучения зависит и от количества излучающих атомов, то по наличию и положению полос делают вывод о составе вещества (качественный анализ), а по интенсивности полос определяют (с помощью калибровочной кривой) содержание отдельных элементов (количественный анализ).

В настоящее время составлены таблицы спектров всех атомов. На цветных вклейках в учебнике «Физика-11» Г.Я.Мякишева, Б.Б.Буховцева приведены наиболее характерные спектральные линии некоторых элементов (таблицы на столах). Часто химическим элементам давали названия в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий спектра их излучения. Например: индий – от исп. indigo «индиго» – ярко-синяя краска; неон – от греч.   – новый, по неожиданной окраске линий спектра; гелий – от греч.   – солнце – по открытию в солнечном спектре; рубидий – от лат. rubidus – красный; таллий – от греч.   (молодая ветвь) – ярко-зелёный; цезий – от лат. caesius – голубой.

Абсорбционный спектральный анализ основан на способности молекул и атомов поглощать электромагнитное излучение. Он широко применяется для анализа растворов и позволяет выявить состав раствора и концентрацию компонентов.

Практически это осуществляется так: бесцветный солнечный луч, так называемый белый свет, при прохождении через призму разлагается в сплошной цветной спектр и пропускается через кювету с исследуемым раствором. Часть лучей поглощается, остальные попадают на фотоэлемент. В итоге мы видим чёрные полосы (спектр поглощения), соответствующие определённым химическим элементам.

ВАЖНО! Спектры излучения и поглощения зеркально симметричны, если они изображены в шкале частот (Запись. Рисунок на цветной вклейке учебника).

6. Значение метода спектрального анализа

С помощью спектрального анализа открыли многие новые элементы (например, рубидий и цезий), узнали химический состав Солнца и звёзд, – другие методы здесь просто невозможны. Это основной метод контроля состава вещества в металлургии и машиностроении, сложных органических веществ в химической промышленности, определения химического состава руд и минералов в горном деле, а также измерения температуры, давления, скорости движения, магнитного поля в звёздах и газовых облаках в астрофизике.