Излучение и поглащение энергии атомом

Документальные учебные фильмы. Серия «Физика».

 

 Излучение и поглощение энергии атомами и молекулами

Огромное количество разных явлений происходит потому, что изменяется энергия атомов и молекул. В одних случаях для практики нет необходимости в атомно-молекулярном подходе к анализу явлений. В других - эффективное использование явления оказывается возможным только с непременным учетом его молекулярной (атомной) природы.

ОСОБЕННОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ АТОМАМИ И МОЛЕКУЛАМИ





Атом и молекула могут находиться в стационарных энергетических состояниях. В этих состояниях они не излучают и не поглощают энергии. Энергетические состояния схематически изображают в виде уровней (см., например, рис. 28.13). Самый нижний уровень энергии - основной - соответствует основному состоянию.

При квантовых переходах атомы и молекулы скачкообразно переходят из одного стационарного состояния в другое, с одного энергетического уровня на другой.

Изменение состояния атомов связано с энергетическими переходами электронов. В молекулах энергия может изменяться не только в результате электронных переходов, но и вследствие изменения колебания атомов и переходов между вращательными уровнями.

При переходе с более высоких энергетических уровней на нижние атом или молекула отдает энергию, при обратных переходах - поглощает. Атом в основном состоянии способен только поглощать энергию.

Различают два типа квантовых переходов:

1) без излучения или поглощения электромагнитной энергии атомом или молекулой. Такой безызлучательный переход происходит при взаимодействии атома или молекулы с другими частица-

ми, например в процессе столкновения. Различают неупругое столкновение, при котором изменяется внутреннее состояние атома и осуществляется безызлучательный переход, и упругое - с изменением кинетической энергии атома или молекулы, но с сохранением внутреннего состояния; 2) с излучением или поглощением фотона.

Энергия фотона равна разности энергий начального и конечного стационарных состояний атома или молекулы:

Формула (29.1) выражает закон сохранения энергии.

В зависимости от причины, вызывающей квантовый переход с испусканием фотона, различают два вида излучения. Если эта причина внутренняя и возбужденная частица самопроизвольно переходит на нижний энергетический уровень, такое излучение называют спонтанным (рис. 29.1, а). Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными подуровнями), по направлению распространения и поляризации. Обычные источники света испускают в основном спонтанное излучение. Другое излучение вынужденное, или индуцированное (рис. 29.1, б). Оно возникает при взаимодействии фотона с возбужденной частицей, если энергия фотона равна разности уровней энергий. В результате вынужденного квантового перехода от частицы будут распространяться в одном направлении два одинаковых фотона: один - первичный, вынуждающий, а другой - вторичный, испущенный.

Излучаемая атомами или молекулами энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая - спектр поглощения.

Интенсивность спектральных линий определяется числом одинаковых переходов, происходящих в секунду, и поэтому зависит от количества излучающих (поглощающих) атомов и вероятности соответствующего перехода.

Квантовые переходы осуществляются не между любыми энергетическими уровнями. Установлены правила отбора, или запрета, формулирующие условия, при которых переходы возможны и невозможны или маловероятны.

Энергетические уровни большинства атомов и молекул достаточно сложны. Структура уровней и, следовательно, спектров зависит не

только от строения одиночного атома или молекулы, но и от внешних причин.

Электромагнитное взаимодействие электронов приводит к тонкому расщеплению1 энергетических уровней (тонкая структура). Влияние магнитных моментов ядер вызывает сверхтонкое расщепление (сверхтонкая структура). Внешние по отношению к атому или молекуле электрические и магнитные поля также вызывают расщепление энергетических уровней (явления Штарка и Зеемана; см. 30.2).

Спектры являются источником различной информации.

Прежде всего по виду спектра можно идентифицировать атомы и молекулы, что входит в задачи качественного спектрального анализа. По интенсивности спектральных линий определяют количество излучающих (поглощающих) атомов - количественный спектральный анализ. При этом сравнительно легко находят примеси в концентрациях 10-5- 10-6 % и устанавливают состав образцов очень малой массы - до нескольких десятков микрограммов.

По спектрам можно судить о строении атома или молекулы, структуре их энергетических уровней, подвижности отдельных частей больших молекул и т.п. Зная зависимость спектров от полей, воздействующих на атом или молекулу, получают информацию о взаимном расположении частиц, ибо воздействие соседних атомов (молекул) осуществляется посредством электромагнитного поля.

Изучение спектров движущихся тел позволяет на основании оптического эффекта Доплера определить относительные скорости излучателя и приемника излучения.

Если учесть, что по спектру вещества удается сделать выводы о его состоянии, температуре, давлении и т.п., то можно высоко оценить использование излучения и поглощения энергии атомами и молекулами как исследовательский метод.

 

В зависимости от энергии (частоты) фотона, испускаемого или поглощаемого атомом (или молекулой), классифицируют следующие виды спектроскопии: радио-, инфракрасная, видимого излучения, ультрафиолетовая и рентгеновская2.

По типу вещества (источника спектра) различают атомные, молекулярные спектры и спектры кристаллов.

1 Термин «расщепление» здесь означает не процесс, а некоторое уже образовавшееся состояние.

2 Здесь не указана γ-спектроскопия, обусловленная ядерными квантовыми переходами.

 

 ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА

Интенсивность света, распространяющегося в среде, может уменьшаться из-за поглощения и рассеяния его молекулами (атомами) вещества.

Поглощением света называют ослабление интенсивности света при прохождении через любое вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.

Установим закон поглощения света веществом. Если выбрать небольшой слой вещества толщиной dx (рис. 29.2), то ослабление интенсивности dI света этим слоем при поглощении будет тем больше, чем больше толщина слоя и интенсивность света, падающего на этот слой:

где k - натуральный показатель поглощения (коэффициент пропорциональности, зависящий от поглощающей среды и не зависящий в определенных пределах от интенсивности света); знак «-» означает, что интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается, т.е. dI <0. Интегрируя (29.2) и подставляя соответствующие пределы (рис. 29.2), получаем:

Эта формула выражает закон поглощения света Бугера. Как видно, натуральный показатель поглощения k является величиной, обратной расстоянию, на котором интенсивность света ослабляется в результате поглощения в среде в е раз.

Натуральный показатель поглощения зависит от длины волны света, поэтому целесообразно закон (29.3) записать для монохроматического света:

где kx - монохроматический натуральный показатель погощения.

Так как поглощение света обусловлено взаимодействием с молекулами, закон поглощения можно связать с некоторыми характеристиками молекул.

Пусть п - концентрация молекул, поглощающих кванты света. Эффективное сечение поглощения молекулы обозначим σ (некоторая площадь, при попадании фотона в которую происходит его захват молекулой).

Если считать, что площадь сечения прямоугольного параллелепипеда (рис. 29.2) равна S, то объем выделенного слоя Sdx, a количество молекул в нем nSdx.

Общая площадь эффективного сечения молекул этого слоя равна σnSdx. На этот слой падает поток фотонов Ф = IS. Доля площади эффективного сечения молекул в общей площади сечения:

Можно считать, что такая же, как и (29.5), часть попавших на слой фотонов поглощается молекулами, ибо отношение площадей определяет вероятность взаимодействия одного фотона с молекулами выделенного слоя.

Доля поглощенных слоем фотонов может быть выражена через поток ^Ф/Ф) или интенсивность (dI/I) света. На основании изложенного можно записать:

 РАССЕЯНИЕ СВЕТА

Рассеянием света называют явление, при котором распространяющийся в среде световой пучок отклоняется по всевозможным направлениям.

Необходимое условие для возникновения рассеяния света - наличие оптических неоднородностей, т.е. областей с иным, чем основная среда, показателем преломления.

Рассеянию и дифракции света присущи некоторые общие черты, оба явления зависят от соотношения преграды или неоднородности и длины волны. Отличие между этими явлениями заключается в том, что дифракция обусловливается интерференцией вторичных волн, а рассеяние - сложением (а не интерференцией!) излучений, возникающих при вынужденных колебаниях электронов в неоднородностях под воздействием света.

Различают два основных вида таких неоднородностей:

1) мелкие инородные частицы в однородном прозрачном веществе. Такие среды являются мутными: дым (твердые частицы в газе), туман (капельки жидкости в газе), взвеси, эмульсии и т.п. Рассеяние в мутных средах называют явлением Тиндаля;

2) оптические неоднородности, возникающие в чистом веществе из-за статистического отклонения молекул от равномерного распределения (флуктуации плотности). Рассеяние света на неоднородностях этого типа называют молекулярным; например, рассеяние света в атмосфере.

Уменьшение интенсивности света вследствие рассеяния, как и при поглощении, описывают с помощью показательной функции:

где m - показатель рассеяния (натуральный).

При совместном действии поглощения и рассеяния света ослабление интенсивности также является показательной функцией:

где μ - показатель ослабления (натуральный). Как нетрудно видеть, μ = m + k.

Рэлей установил, что при рассеянии в мутной среде на неоднородностях, приблизительно меньших 0,2λ, а также при молекулярном рассеянии интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Рэлея):

Это означает, что из белого света веществом, например в точке д (рис. 29.3), будут преимущественно рассеиваться голубые и фиолетовые лучи (направление А), а красные - проходить в направлении б падающего света. Аналогичное явление наблюдается и в природе: голубой цвет неба - рассеянный свет, красный цвет заходящего Солнца - изменение спектра белого света из-за значительного рассеяния

голубых и фиолетовых лучей в толще атмосферы при наклонном падении (см. пояснение к рис. 27.3).

Меньшее рассеяние красных лучей используют в сигнализации: опознавательные огни на аэродромах, наиболее ответственный свет светофора - красный и т.п. Инфракрасные лучи рассеиваются еще меньше. На рис. 29.4 изображены две фотографии пейзажа: на левой, снятой обычным методом, туман сильно ограничил видимость: на правой, снятой в инфракрасном излучении на специальной пластинке, туман не мешает, он оказался прозрачным для более длинных волн.

Если взвешенные частицы велики по сравнению с длиной волны, то рассеяние не соответствует закону Рэлея (29.14) - в знаменателе дроби будет стоять λ2. Рассеянный свет теряет свою голубизну и становится белее. Так, пыльное небо городов кажется нам белесым в противоположность темно-синему небу чистых морских просторов.

Направление рассеянного света, степень его поляризации, спектральный состав и т.д. приносят информацию о параметрах, характеризующих межмолекулярное взаимодействие, размерах макромолекул в растворах, частиц в коллоидных растворах, эмульсиях, аэрозолях и т.д.

Методы измерения рассеянного света с целью получения такого рода сведений называют нефелометрией, а соответствующие приборы - нефелометрами.

 ОПТИЧЕСКИЕ АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ

Атомными спектрами называют как спектры испускания, так и спектры поглощения, которые возникают при квантовых переходах между уровнями свободных или слабо взаимодействующих атомов.

Под оптическими атомными спектрами будем понимать те, которые обусловлены переходами между уровнями внешних электронов с энергией фотонов порядка нескольких электрон-вольт. Сюда относятся ультрафиолетовая, видимая и близкая инфракрасная (до микрометров) области спектра.

Наибольший интерес представляют оптические атомные спектры испускания, которые получают от возбужденных атомов. Их возбуждение обычно достигается в результате безызлучательных квантовых переходов при электрическом разряде в газе или нагревании вещества пламенем газовых горелок, электрической дугой или искрой.

В 29.1 были изложены общие соображения о спектрах атомов. Подробные сведения о спектрах конкретных атомов можно найти в специальных справочниках по спектроскопии. В качестве простого примера рассмотрим спектр атома водорода и водородоподобных ионов.

Из формул (28.24) и (29.1) можно получить формулу для частоты света, излучаемого (поглощаемого) атомом водорода (Z = 1):

Эта формула была экспериментально найдена И.Я. Бальмером еще задолго до создания квантовой механики и теоретически получена Бором (см. 28.7); i и k - порядковые номера уровней, между которыми происходит квантовый переход.

В спектре можно выделить группы линий, называемые спектральными сериями.

Каждая серия применительно к спектрам испускания соответствует переходам с различных уровней на один и тот же конечный (рис. 29.5).