Спектри і спектральний аналіз

Спектр — це розподіл інтенсивності світла за довжинами хвиль (або частотами). Його отримують, пропускаючи світло крізь призму або спрямовуючи на дифракційну ґратку. Залежно від того, яке тіло випромінює світло і в якому агрегатному стані воно перебуває, спектри бувають неперервні або лінійчаті.

Неперервний спектр

Неперервний спектр має вигляд суцільної кольорової смуги без жодних розривів — від червоного до фіолетового кольору. У ньому представлені всі довжини хвиль видимого діапазону. Такі спектри дають розжарені тверді тіла, рідини й густі (стиснені) гази. Наприклад: нитка лампи розжарювання, розплавлений метал, поверхня Сонця (як джерело світла).

Причина неперервності в тому, що в твердих тілах і рідинах атоми й молекули розташовані дуже щільно, їхні енергетичні рівні розмиваються в зони, тому випромінювання відбувається в широкому діапазоні довжин хвиль.

Лінійчатий спектр випромінювання

Лінійчатий спектр складається з окремих яскравих ліній на темному тлі. Кожна лінія відповідає певній довжині хвилі. Такі спектри дають розріджені гази в атомарному стані, збуджені нагріванням або електричним розрядом. Наприклад: пара натрію дає яскраву жовту лінію з довжиною хвилі 589 нм; неон у рекламних лампах дає характерний червонуватий лінійчатий спектр.

Найважливіша властивість лінійчатого спектра: він індивідуальний для кожного хімічного елемента. Положення й кількість ліній у спектрі елемента не змінюються за різних способів збудження — це своєрідний «відбиток пальця» елемента. Саме тому за лінійчатим спектром можна безпомилково визначити, які елементи присутні в речовині.

Чому спектри мають саме такий вигляд, пояснюють енергетичні рівні атомів і постулати Бора — це тема курсу квантової фізики. Коротко: атом може випромінювати світло лише певних довжин хвиль, які відповідають різниці енергій між його енергетичними рівнями.

Спектр поглинання — це темні лінії на тлі неперервного спектра. Він виникає, коли світло від розжареного тіла (яке дає неперервний спектр) проходить крізь холодніший розріджений газ. Газ поглинає світло певних довжин хвиль, і на місці цих довжин хвиль у неперервному спектрі з'являються темні лінії.

Закон Кірхгофа

Німецький фізик Густав Кірхгоф сформулював важливий закон: газ поглинає ті самі довжини хвиль, які він випромінює в гарячому стані. Іншими словами, темні лінії в спектрі поглинання розташовані точно там, де той самий газ у розжареному стані давав би яскраві лінії. Це означає, що спектр поглинання газу є «негативом» його лінійчатого спектра випромінювання.

Лінії Фраунгофера в спектрі Сонця

У спектрі Сонця спостерігають сотні темних ліній — це лінії Фраунгофера, названі на честь німецького фізика Йозефа Фраунгофера, який уперше їх детально описав 1814 року. Вони виникають тому, що світло від розжареної поверхні Сонця (фотосфери) проходить крізь холоднішу атмосферу Сонця (хромосферу). Атоми в атмосфері Сонця поглинають світло певних довжин хвиль, утворюючи темні лінії.

За положенням ліній Фраунгофера вчені визначили, які хімічні елементи містяться в атмосфері Сонця: водень, натрій, кальцій, залізо та багато інших. Гелій натомість виявили за яскравою лінією випромінювання — про це нижче.

Відкриття гелію

Найвідоміший приклад спектрального аналізу — відкриття гелію. 1868 року французький астроном П'єр Жансен і англієць Норман Лок'єр незалежно виявили в спектрі Сонця яскраву жовту лінію, яка не відповідала жодному з відомих на Землі елементів. Лок'єр назвав новий елемент гелієм (від грец. «геліос» — Сонце). Лише 1895 року гелій знайшли на Землі — у мінералі клевеїті. Так уперше елемент виявили не на Землі, а на зорі.

Спектральний аналіз — це метод визначення хімічного складу й температури речовини за її спектром. Він ґрунтується на тому, що лінійчатий спектр кожного хімічного елемента є унікальним. Лінії спектра невідомого зразка порівнюють із лініями еталонних спектрів відомих елементів. Якщо всі характерні лінії певного елемента збігаються з лініями зразка — елемент присутній у речовині.

Будова спектроскопа

Спектроскоп — це оптичний прилад для спостереження й вивчення спектрів. Його основні частини:

• Щілина — пропускає вузький пучок світла від джерела.

• Коліматорна лінза — перетворює розбіжний пучок на паралельний.

• Призма або дифракційна ґратка — розкладає світло на спектр (залежно від довжини хвилі).

• Зорова труба або екран — дає змогу спостерігати спектр.

Світло від джерела потрапляє на щілину, далі коліматорна лінза робить пучок паралельним, призма або ґратка розкладає його за довжинами хвиль, і через зорову трубу спостерігач бачить спектр. Якщо замість зорової труби встановити фотопластинку або цифрову матрицю, отримаємо спектрограф — прилад, який фіксує спектр.

Переваги спектрального аналізу

• Висока чутливість: метод виявляє мізерні домішки — до 10⁻⁶ % від маси зразка.

• Швидкість: аналіз триває кілька хвилин.

• Дистанційність: для аналізу не потрібен зразок речовини — достатньо світла, яке вона випромінює або пропускає. Саме тому можна визначати склад зір і далеких туманностей, не маючи їхньої речовини.

Застосування спектрального аналізу

Важливо пам'ятати: у спектрі з'являється лінія елемента, навіть якщо його частка мізерна. Тому для підтвердження наявності елемента шукають збіг усіх його характерних ліній, а не однієї. Випадковий збіг однієї лінії можливий, але збіг цілого набору ліній — однозначний доказ.

Приклад 1. Відповідність: джерело світла — вид спектра

Установіть відповідність між джерелом світла (1–3) і видом спектра (А–Д), який воно дає.

Розв'язання:

• Нитка лампи розжарювання — розжарене тверде тіло, тому дає неперервний спектр (А).

• Розріджена пара натрію в збудженому стані — типовий приклад лінійчатого спектра випромінювання (Б).

• Сонячне світло, що пройшло крізь холодну пару натрію, дає лінійчатий спектр поглинання: неперервний спектр Сонця з темними лініями (В).

Відповідь: 1 — А, 2 — Б, 3 — В. Варіанти Г і Д зайві.

Чому не Г і не Д: смугасті спектри (і випромінювання, і поглинання) дають молекули, а пара натрію — атомарний газ. Атомарний газ дає лінійчаті спектри: у гарячому стані — яскраві лінії, а в холодному стані на шляху світла — темні лінії на тлі неперервного спектра (лінійчатий спектр поглинання).

Приклад 2. Вибір однієї відповіді

Який спектр дає розжарена нитка електричної лампи?

• А. Лінійчатий

• Б. Неперервний

• В. Спектр поглинання

• Г. Смугастий лінійчатий

Розв'язання: Нитка лампи розжарювання — це розжарене тверде тіло. Тверді тіла в розжареному стані випромінюють світло в широкому діапазоні довжин хвиль, тому їхній спектр є неперервним.

Відповідь: Б (неперервний).

Чому інші варіанти неправильні: А — лінійчатий спектр дають розріджені гази, а не тверді тіла; В — спектр поглинання виникає, коли світло проходить крізь газ, а нитка сама випромінює; Г — смугастий лінійчатий спектр характерний для молекул, а не для розжарених твердих тіл.

Приклад 3. Вибір однієї відповіді

У спектрі зорі виявлено темні лінії, положення яких точно збігається з яскравими лініями випромінювання водню. Що це означає?

• А. Зоря складається лише з водню

• Б. Водень є в атмосфері зорі й поглинає світло

• В. Водню на зорі немає

• Г. Зоря нагрітіша за Сонце

Розв'язання: Темні лінії в спектрі зорі — це лінії поглинання. Вони виникають, коли світло від розжарених внутрішніх шарів зорі проходить крізь холоднішу атмосферу зорі. Якщо положення темних ліній збігається з лініями випромінювання водню, то за законом Кірхгофа це означає, що водень присутній в атмосфері зорі й поглинає світло саме тих довжин хвиль, які сам випромінює в гарячому стані.

Відповідь: Б.

Чому інші варіанти неправильні: А — темні лінії свідчать лише про наявність водню в атмосфері, а не про те, що зоря складається тільки з нього; В — якби водню не було, ліній би не було; Г — температура зорі не визначається за одним набором ліній.

Приклад 4. Відповідність: застосування — метод

Установіть відповідність між завданням (1–3) і методом його розв'язання (А–Д).

Розв'язання: Усі три завдання розв'язують методом спектрального аналізу, але об'єкт дослідження різний. Для зорі аналізують її світло (А), для сплаву — спектр зразка (Б), для криміналістики — спектр речових доказів (В).

Відповідь: 1 — А, 2 — Б, 3 — В. Варіанти Г і Д зайві.

Чому не Г і не Д: ні температура, ні маса зразка не визначають його хімічного складу, тому ці методи не розв'язують жодного з трьох завдань.

• Помилка: вважати, що розжарена нитка лампи дає лінійчатий спектр. Насправді розжарена нитка — тверде тіло, тому її спектр неперервний. Лінійчатий спектр дають лише розріджені гази в атомарному стані.

• Помилка: вважати, що кожна речовина має неперервний спектр незалежно від стану. Агрегатний стан визначальний: тверді тіла, рідини й густі гази дають неперервний спектр, а розріджені атомарні гази — лінійчатий.

• Помилка: плутати спектр випромінювання й спектр поглинання. Спектр випромінювання — яскраві лінії на темному тлі (газ сам випромінює). Спектр поглинання — темні лінії на кольоровому тлі (газ поглинає світло, що проходить крізь нього).

• Помилка: вважати, що лінійчатий спектр залежить від способу збудження, а не від елемента. Набір ліній визначається виключно будовою енергетичних рівнів атома елемента. За будь-якого способу збудження лінії будуть тими самими.

• Помилка: думати, що спектральний аналіз потребує зразка речовини поруч. Для аналізу достатньо світла, яке випромінює або пропускає речовина. Саме тому визначають склад зір, до яких неможливо долетіти.

Програма НМТ з фізики (тема 4.3 «Оптика») називає дисперсію світла, неперервний і лінійчатий спектри та спектральний аналіз. Від тебе вимагають пояснювати дію спектроскопа.

Шкали спектрів і види спектрів у довідці НМТ немає — їх треба знати. У демоваріанті 2026 року тему 4.3 представлено завданнями № 12 і № 21.

Форма відповідності («логічні пари») — це завдання, у якому до трьох позицій лівої колонки (позначених цифрами 1–3) треба дібрати відповідні позиції з правої колонки (позначених буквами А–Д). Дві букви зайві. Максимальна оцінка — 3 бали (по 1 балу за кожну правильно встановлену пару). У демоваріанті 2026 цю форму використано в темах 2.2 і 3.3.

Стратегія розв'язування: за джерелом і станом речовини визначити вид спектра. Якщо джерело — розжарене тверде тіло або рідина, спектр неперервний. Якщо джерело — розріджений газ, спектр лінійчатий. Якщо світло проходить крізь газ — спектр поглинання.

• Неперервний спектр — суцільна кольорова смуга. Дають розжарені тверді тіла, рідини й густі гази (нитка лампи, розплавлений метал, поверхня Сонця).

• Лінійчатий спектр випромінювання — окремі яскраві лінії на темному тлі. Дають розріджені атомарні гази. Індивідуальний для кожного хімічного елемента (як відбиток пальця).

• Спектр поглинання — темні лінії на тлі неперервного спектра. Виникає, коли світло проходить крізь холодніший газ. Темні лінії розташовані там, де газ випромінював би яскраві (закон Кірхгофа).

• Спектральний аналіз — визначення хімічного складу речовини за її спектром. Прилад — спектроскоп (щілина, коліматорна лінза, призма або ґратка, зорова труба).

• Застосування: астрофізика (склад зір і планет), металургія (контроль сплавів), криміналістика (пошук домішок), екологічний моніторинг.