Gløden af faste stoffer forårsaget af elektronpåvirkninger. Termisk stråling og luminescens

Elektromagnetisk stråling. Anvendelse af metoder spektral analyse.

Strålingsenergi.

Lyskilden skal forbruge energi. Lys er elektromagnetiske bølger med en bølgelængde på 4·10-7 - 8·10-7 m. Elektromagnetiske bølger udsendes kl accelereret bevægelse ladede partikler. Disse ladede partikler er en del af atomer. Men uden at vide, hvordan atomet er opbygget, kan der ikke siges noget pålideligt om strålingsmekanismen. Det er kun tydeligt, at der ikke er lys inde i et atom, ligesom der ikke er nogen lyd i en klaverstreng. Som en streng, der først begynder at lyde efter at være blevet ramt af en hammer, føder atomer først lys, når de er ophidset.
For at et atom kan begynde at udstråle, skal energi overføres til det. Når et atom udsender, mister det den energi, det modtager, og for et stofs kontinuerlige glød er det nødvendigt med en tilstrømning af energi til dets atomer udefra.

Termisk stråling. Den enkleste og mest almindelige type stråling er termisk stråling, hvor den energi, atomer taber for at udsende lys, kompenseres af energi termisk bevægelse atomer eller (molekyler) af det udstrålende legeme.
I tidlig XIX V. det blev fundet, at over (bølgelængde) den røde del af spektret synligt lys der er en usynlig infrarød del af spektret, og under den violette del af spektret af synligt lys er der en usynlig ultraviolet del af spektret.
Bølgelængder infrarød stråling er indeholdt i området fra 3·10-4 til 7,6·10-7 m karakteristisk egenskab denne stråling er dens termisk effekt. Kilden til IR-stråler er enhver krop. Jo højere kropstemperaturen er, jo højere intensiteten af denne stråling. Jo højere kropstemperaturen er, jo hurtigere bevæger atomerne sig. Når hurtige atomer (molekyler) kolliderer med hinanden, omdannes en del af deres kinetiske energi til excitationsenergi af atomerne, som så udsender lys.

Infrarød stråling studeres ved hjælp af termoelementer og bolometre. Driftsprincippet for nattesynsenheder er baseret på brugen af infrarød stråling.
Den termiske kilde til stråling er Solen samt en almindelig glødelampe. Lampen er en meget praktisk, men billig kilde. Kun omkring 12% af den samlede energi frigivet i lampen elektrisk stød, omdannes til lysenergi. Den termiske lyskilde er en flamme. Sodkorn opvarmes på grund af den energi, der frigives ved brændstofforbrænding og udsender lys.

Elektroluminescens. Den energi, atomer behøver for at udsende lys, kan også komme fra ikke-termiske kilder. Under en udladning i gasser giver det elektriske felt en stor kraft til elektronerne. kinetisk energi. Hurtige elektroner oplever kollisioner med atomer. En del af elektronernes kinetiske energi går til at excitere atomer. Ophidsede atomer frigiver energi i form af lysbølger. På grund af dette er udledningen i gassen ledsaget af en glød. Dette er elektroluminescens.

Katodoluminescens. Glød faste stoffer, forårsaget af bombardement af deres elektroner, kaldes katodoluminescens. Takket være katodoluminescens lyser skærmene på katodestrålerør.

Kemiluminescens. For nogle kemiske reaktioner, der kommer med frigivelsen af energi, bliver en del af denne energi direkte brugt på udsendelse af lys. Lyskilden forbliver kold (den har en temperatur miljø). Dette fænomen kaldes kemiluminescens.

Fotoluminescens. Lys, der falder ind på et stof, reflekteres delvist og delvist absorberet. Energien fra absorberet lys forårsager i de fleste tilfælde kun opvarmning af kroppe. Nogle kroppe begynder dog selv at lyse direkte under påvirkning af stråling, der rammer dem. Dette er fotoluminescens.

Lys exciterer et stofs atomer (øger deres indre energi), hvorefter de selv belyses. For eksempel lysende maling, som bruges til at dække mange julepynt, udsender lys efter at være blevet bestrålet. Fotoluminescens af faste stoffer, samt særligt formål- (generaliserede) fosfor, kan ikke kun være i det synlige, men også i det ultraviolette og infrarøde områder. Lyset, der udsendes under fotoluminescens, har som regel en længere bølgelængde end det lys, der exciterer gløden. Dette kan observeres eksperimentelt. Hvis man retter en lysstråle, der passerer gennem et violet filter, ind på en beholder med et fluorescerende (organisk farvestof), så begynder denne væske at lyse med grøn-gult lys, altså lys med en længere bølgelængde end violet lys.
Fænomenet fotoluminescens er meget udbredt i fluorescerende lamper. sovjetisk fysiker S.I. Vavilov foreslog dækning indre overflade udledningsrør med stoffer, der er i stand til at lyse klart under påvirkning af kortbølget stråling gasudledning.

Energifordeling i spektret.

Ingen af kilderne producerer monokromatisk lys, det vil sige lys med en strengt defineret bølgelængde. Det er vi overbevist om ved eksperimenter med nedbrydning af lys til et spektrum ved hjælp af et prisme, samt eksperimenter med interferens og diffraktion.
Den energi, som lyset fører med sig fra kilden, fordeles på en bestemt måde over de bølger af alle længder, der udgør lysstrålen. Vi kan også sige, at energi er fordelt over frekvenser, da der er forskel på bølgelængde og frekvens. enkel tilslutning: ђv = c.
Fluxtæthed elektromagnetisk stråling eller intensitet, bestemmes af den energi, der kan tilskrives alle frekvenser. For at karakterisere frekvensfordelingen af stråling er det nødvendigt at indføre en ny størrelse: intensiteten pr. enhedsfrekvensinterval. Denne størrelse kaldes den spektrale tæthed af strålingsintensiteten.

Du kan ikke stole på dit øje til at vurdere energifordelingen. Øjet har selektiv følsomhed over for lys: dets maksimale følsomhed ligger i det gulgrønne område af spektret. Det er bedst at drage fordel af egenskaben ved en sort krop til næsten fuldstændig at absorbere lys af alle bølgelængder. I dette tilfælde forårsager strålingsenergi (dvs. lys) opvarmning af kroppen. Derfor er det nok at måle kropstemperaturen og bruge den til at bedømme mængden af absorberet energi pr. tidsenhed.
Et almindeligt termometer er for følsomt til at kunne bruges i sådanne eksperimenter. Mere følsomme instrumenter er nødvendige for at måle temperaturen. Du kan tage et elektrisk termometer, hvori sanseelement lavet i form af en tynd metalplade. Denne plade skal være belagt med et tyndt lag sod, som næsten fuldstændigt absorberer lys af enhver bølgelængde.
Enhedens varmefølsomme plade skal placeres et eller andet sted i spektret. Alt synligt spektrum længden l fra røde til violette stråler svarer til frekvensområdet fra IR til UV. Bredden svarer til et lille interval Av. Ved at opvarme enhedens sorte plade kan du bedømme tætheden strålingsflux, der falder inden for frekvensintervallet Av. Bevæger vi pladen langs spektret, finder vi det mest af energi falder på den røde del af spektret, og ikke på den gulgrønne, som det ser ud for øjet.
Baseret på resultaterne af disse eksperimenter er det muligt at konstruere en kurve over afhængigheden af den spektrale tæthed af strålingsintensiteten af frekvensen. Den spektrale tæthed af strålingsintensiteten bestemmes af pladens temperatur, og frekvensen er ikke svær at finde, hvis den enhed, der bruges til at nedbryde lyset, er kalibreret, det vil sige, hvis man ved, hvilken frekvens en given del af spektret svarer til til.
Ved at plotte langs abscisseaksen værdierne af de frekvenser, der svarer til midtpunkterne i intervallerne Av, og langs ordinataksen spektraltætheden af strålingsintensiteten, får vi et antal punkter, hvorigennem vi kan tegne en glat kurve. Denne kurve giver visuel repræsentation om fordelingen af energi og den synlige del af spektret elektrisk lysbue.

Typer af spektre.

Spektral sammensætning af stråling forskellige stoffer meget forskelligartet. Men på trods af dette kan alle spektre, som erfaringen viser, opdeles i tre typer, der adskiller sig fra hinanden.

Kontinuerlige spektre.

Solspektret eller lysbuespektret er kontinuerligt. Det betyder, at spektret indeholder bølger af alle bølgelængder. Der er ingen brud i spektret, og en kontinuerlig flerfarvet strimmel kan ses på spektrografskærmen.
Energifordeling over frekvenser, dvs. spektraltæthed af strålingsintensitet, for forskellige kroppe forskellige. For eksempel udsender et legeme med en meget sort overflade elektromagnetiske bølger af alle frekvenser, men kurven for den spektrale tæthed af strålingsintensitet kontra frekvens har et maksimum ved en bestemt frekvens. Strålingsenergien ved meget lave og meget høje frekvenser er ubetydelig. Med stigende temperatur skifter den maksimale spektrale tæthed af stråling mod kortere bølger.
Kontinuerlige (eller kontinuerte) spektre, som erfaringen viser, er givet af kroppe placeret i fast eller flydende tilstand, samt højt komprimerede gasser. For at opnå et kontinuerligt spektrum skal kroppen opvarmes til en høj temperatur.
Arten af det kontinuerlige spektrum og selve dets eksistens bestemmes ikke kun af egenskaberne af individuelle emitterende atomer, men også i stærk grad afhænger af atomernes interaktion med hinanden.
Et kontinuerligt spektrum produceres også af højtemperaturplasma. Elektromagnetiske bølger udsendes hovedsageligt af plasma, når elektroner kolliderer med ioner.

Linjespektre.

Lad os tilføje et stykke asbest fugtet med en opløsning af almindeligt vand i den blege flamme af en gasbrænder. bordsalt. Når man observerer en flamme gennem et spektroskop, vil en lys gul linje blinke mod baggrunden af det knapt synlige kontinuerlige spektrum af flammen. Denne gule linje er produceret af natriumdamp, som dannes, når molekylerne af bordsalt nedbrydes i en flamme. På spektroskopet kan du også se en palisade af farvede linjer med varierende lysstyrke, adskilt af brede mørke striber. Sådanne spektre kaldes linjespektre. Tilstedeværelsen af et linjespektrum betyder, at et stof kun udsender lys ved bestemte bølgelængder (mere præcist i visse meget snævre spektrale intervaller). Hver linje har en begrænset bredde.
Linjespektre forekommer kun for stoffer i atomtilstand (men ikke molekylære). I dette tilfælde udsendes lys af atomer, der praktisk talt ikke interagerer med hinanden. Dette er den mest grundlæggende, grundlæggende type spektre. Linjespektrenes hovedegenskab er, at isolerede atomer af et givet kemisk grundstof udsender strengt definerede, ikke-gentagende sekvenser af bølgelængder. To forskellige elementer Der er ingen samme rækkefølge af bølgelængder. Spektralbånd vises ved udgangen af en spektral enhed på stedet for den bølgelængde, der udsendes fra kilden. For at observere linjespektre anvendes typisk gløden af damp fra et stof i en flamme eller gløden fra en gasudledning i et rør fyldt med den gas, der undersøges.
Når tætheden af den atomare gas stiger, individuelle spektrale linjer udvide og endelig på meget stor tæthed gas, når interaktionen af atomer bliver signifikant, overlapper disse linjer hinanden og danner et kontinuerligt spektrum.

Stribede spektre.

Det båndede spektrum består af individuelle bånd adskilt af mørke rum. Ved hjælp af et meget godt spektralapparat kan det opdages, at hvert bånd repræsenterer en samling stort antal meget tæt anbragte linjer. I modsætning til linjespektre er stribede spektre ikke skabt af atomer, men af molekyler, der ikke er bundet eller svagt bundet til hinanden.
For at observere molekylære spektre, såvel som til at observere linjespektre, bruges normalt gløden af damp i en flamme eller gløden fra en gasudledning.

Emissions- og absorptionsspektre.

Alle stoffer, hvis atomer er i en ophidset tilstand, udsender lysbølger, hvis energi er fordelt på en bestemt måde over bølgelængder. Et stofs absorption af lys afhænger også af bølgelængden. Rødt glas transmitterer således bølger svarende til rødt lys (l»8·10-5 cm), og absorberer alle andre.
Hvis du sender hvidt lys gennem en kold, ikke-emitterende gas, vises mørke linjer på baggrund af kildens kontinuerlige spektrum. Gassen absorberer mest intenst lyset af netop de bølgelængder, som den udsender, når den opvarmes kraftigt. Mørke linjer på baggrund af et kontinuerligt spektrum er absorptionslinjer, der tilsammen danner et absorptionsspektrum.
Der er kontinuerte, linje- og stribede emissionsspektre og det samme antal typer absorptionsspektre.

Spektralanalyse og dens anvendelse.

Det er vigtigt at vide, hvad kroppene omkring os er lavet af. Mange metoder er blevet opfundet til at bestemme deres sammensætning. Men sammensætningen af stjerner og galakser kan kun bestemmes ved hjælp af spektralanalyse.

Metode til bestemmelse af kvalitet og kvantitativ sammensætning Analysen af et stof ved dets spektrum kaldes spektralanalyse. Spektralanalyse bruges i vid udstrækning i mineraludforskning for at bestemme den kemiske sammensætning af malmprøver. I industrien gør spektralanalyse det muligt at kontrollere sammensætningen af legeringer og urenheder indført i metaller for at opnå materialer med specificerede egenskaber. Linjespektre spiller en særlig rolle vigtig rolle, fordi deres struktur er direkte relateret til atomets struktur. Disse spektre er jo skabt af atomer, der ikke oplever ydre påvirkninger. Ved at stifte bekendtskab med linjespektre tager vi derfor det første skridt mod at studere atomers struktur. Ved at observere disse spektre var videnskabsmænd i stand til at "se" inde i atomet. Her kommer optikken i tæt kontakt med atomfysikken.
Linjespektrenes hovedegenskab er, at bølgelængderne (eller frekvenserne) af ethvert stofs linjespektrum kun afhænger af egenskaberne af dette stofs atomer, men er fuldstændig uafhængige af excitationsmetoden for atomernes luminescens. Atomerne af ethvert kemisk grundstof giver et spektrum, der ikke ligner spektrene for alle andre grundstoffer: de er i stand til at udsende strengt specifikt sæt bølgelængder.
Dette er grundlaget for spektralanalyse - en metode til at bestemme den kemiske sammensætning af et stof fra dets spektrum.

Som menneskelige fingeraftryk linjespektre har en unik personlighed. Det unikke ved mønstrene på fingerens hud hjælper ofte med at finde den kriminelle. På samme måde, takket være spektrenes individualitet, er det muligt at bestemme kemisk sammensætning kroppe. Ved hjælp af spektralanalyse kan du detektere dette element som en del af komplekst stof, selvom dens masse ikke overstiger 10-10. Dette er en meget følsom metode.
At studere et stofs linjespektrum giver os mulighed for at bestemme hvilket kemiske elementer den består og i hvilken mængde hvert grundstof er indeholdt i et givet stof.
Det kvantitative indhold af grundstoffet i prøven, der undersøges, bestemmes ved at sammenligne intensiteten separate linjer spektrum af dette grundstof med intensiteten af linjer af et andet kemisk grundstof, hvis kvantitative indhold i prøven er kendt.
Kvantitativ analyse af sammensætningen af et stof baseret på dets spektrum er vanskelig, da lysstyrken af spektrallinjerne afhænger ikke kun af stoffets masse, men også af metoden til excitation af gløden. Ja, hvornår lave temperaturer mange spektrallinjer vises slet ikke. Men under forudsætning af standardbetingelser for excitation af gløden, kan kvantitativ spektralanalyse også udføres.
Fordelene ved spektralanalyse er høj følsomhed og hastigheden for at opnå resultater. Ved hjælp af spektralanalyse er det muligt at detektere tilstedeværelsen af guld i en prøve, der vejer 6·10-7 g, med dens masse på kun 10-8 g. Bestemmelse af stålkvaliteten ved spektralanalyse kan udføres på få ti sekunder .
Spektralanalyse giver dig mulighed for at bestemme den kemiske sammensætning himmellegemer, fjernt fra Jorden i afstande på milliarder af lysår. Kemisk sammensætning af atmosfærer af planeter og stjerner, kold gas i interstellare rum bestemt ud fra absorptionsspektre.
Ved at studere spektrene var forskerne i stand til at bestemme ikke kun den kemiske sammensætning af himmellegemer, men også deres temperatur. Ved forskydning af spektrallinjer kan man bestemme bevægelseshastigheden af et himmellegeme.

I øjeblikket er spektrene for alle atomer blevet bestemt, og tabeller over spektrene er blevet kompileret. Ved hjælp af spektralanalyse blev mange nye grundstoffer opdaget: rubidium, cæsium osv. Grundstoffer fik ofte navne i overensstemmelse med farven på de mest intense linjer i spektret. Rubidium producerer mørkerøde, rubinrøde linjer. Ordet cæsium betyder "himmelblå". Dette er farven på hovedlinjerne i cæsiumspektret.
Det var ved hjælp af spektralanalyse, at den kemiske sammensætning af Solen og stjernerne blev lært. Andre analysemetoder er generelt umulige her. Det viste sig, at stjerner består af de samme kemiske grundstoffer, som findes på Jorden. Det er mærkeligt, at helium oprindeligt blev opdaget i Solen og først derefter fundet i Jordens atmosfære. Navnet på dette element minder om historien om dets opdagelse: ordet helium betyder "sol".
På grund af dens komparative enkelhed og alsidighed er spektralanalyse den vigtigste metode til at overvåge sammensætningen af et stof i metallurgi, maskinteknik og nuklear industri. Ved hjælp af spektralanalyse bestemmes den kemiske sammensætning af malme og mineraler.
Sammensætningen af komplekse, hovedsageligt organiske, blandinger analyseres ved deres molekylære spektre.
Spektralanalyse kan udføres ikke kun fra emissionsspektre, men også fra absorptionsspektre. Det er absorptionslinjerne i Solens og stjernernes spektrum, der gør det muligt at studere den kemiske sammensætning af disse himmellegemer. Lyse glødende overflade Solens fotosfære giver et kontinuerligt spektrum. sol atmosfære absorberer selektivt lys fra fotosfæren, hvilket fører til fremkomsten af absorptionslinjer på baggrund af fotosfærens kontinuerlige spektrum.
Men selve solens atmosfære udsender lys. I løbet af solformørkelser, Hvornår sol disk er blokeret af Månen, er spektrumlinjerne omvendt. I stedet for absorptionslinjerne i solspektrum emissionslinjer blinker.
I astrofysik betyder spektralanalyse ikke kun bestemmelsen af den kemiske sammensætning af stjerner, gasskyer osv., men også bestemmelsen af mange andre ting fra spektrene fysiske egenskaber disse objekter: temperatur, tryk, hastighed, magnetisk induktion.
Ud over astrofysik er spektralanalyse i vid udstrækning brugt i retsmedicin til at undersøge beviser fundet på et gerningssted. Spektralanalyse inden for retsmedicin er også meget nyttig til at identificere mordvåbnet og generelt afsløre nogle af detaljerne i forbrydelsen.
Spektralanalyse bruges endnu mere udbredt i medicin. Her er dens anvendelse meget stor. Det kan bruges til diagnose såvel som til at identificere fremmede stoffer i den menneskelige krop.
Spektralanalyse kræver specielle spektrale instrumenter, som vi vil overveje nærmere.

Spektraludstyr.

Til præcis forskning Spectra så simple enheder som en smal spalte, der begrænser lysstrålen, og et prisme er ikke længere tilstrækkelige. Der er brug for instrumenter, der giver et klart spektrum, dvs. instrumenter, der godt kan adskille bølger af forskellig længde og ikke tillader individuelle dele af spektret at overlappe hinanden. Sådanne enheder kaldes spektrale enheder. Oftest er hoveddelen af spektralapparatet et prisme eller diffraktionsgitter.
Lad os overveje designdiagrammet for et prismespektralapparat. Den stråling, der undersøges, trænger først ind i en del af enheden kaldet en kollimator. Kollimatoren er et rør, hvoraf der i den ene ende er en skærm med snævert mellemrum, og på den anden er der en konvergerende linse. Spalten er ved objektivets brændvidde. Derfor kommer en divergerende lysstråle, der falder ind på linsen fra spalten, ud af den som en parallel stråle og falder på prismet.
Fordi forskellige frekvenser korrespondere forskellige indikatorer brydning, så kommer parallelle stråler, der ikke er sammenfaldende i retning, ud af prismet. De falder på linsen. Ved brændvidden af dette objektiv er der en skærm - matteret glas eller fotografisk plade. Linsen fokuserer parallelle stråler af stråler på skærmen, og i stedet for et enkelt billede af spalten er resultatet hele linjen billeder. Hver frekvens (snævert spektralt interval) har sit eget billede. Alle disse billeder danner tilsammen et spektrum.
Den beskrevne enhed kaldes en spektrograf. Hvis der i stedet for en anden linse og skærm bruges et teleskop til visuelt at observere spektre, så kaldes enheden et spektroskop. Prismer og andre dele af spektralenheder er ikke nødvendigvis lavet af glas. I stedet for glas bruges også transparente materialer som kvarts. stensalt og osv.

>> Typer af stråling. Kilder til lys

§ 80 STRÅLINGSTYPER. LYSKILDER

Lys er en strøm af elektromagnetiske bølger med en bølgelængde på 4 10 -7 -8 10 -7 m. Elektromagnetiske bølger udsendes ved den accelererede bevægelse af ladede partikler. Disse ladede partikler er en del af de atomer, der udgør stoffet. Men uden at vide, hvordan atomet er opbygget, kan der ikke siges noget pålideligt om strålingsmekanismen. Det er kun tydeligt, at der ikke er lys inde i et atom, ligesom der ikke er nogen lyd i en klaverstreng. Som en streng, der først begynder at lyde efter at være blevet ramt af en hammer, kan atomer først "føde" lys, når de er ophidset.

For at et atom kan begynde at udstråle, skal det overføre en vis mængde energi. Når et atom udsender, mister det den energi, det modtager, og for et stofs kontinuerlige glød er det nødvendigt med en tilstrømning af energi til dets atomer udefra.

Termisk stråling. Den enkleste og mest udbredte type stråling er termisk stråling, hvor energien tabt af atomer til at udsende lys kompenseres af energien fra termisk bevægelse af atomet (eller molekylerne) i det udsendende legeme. Termisk stråling er stråling fra opvarmede legemer. Jo højere temperaturen på emnet er, jo hurtigere bevæger atomerne sig i det. Når hurtige atomer (eller molekyler) kolliderer med hinanden, går en del af deres kinetiske energi til at excitere atomerne, som så udsender lys og går i en ikke-exciteret tilstand.

Termiske strålingskilder er for eksempel Solen og en almindelig glødelampe. Lampen er en meget praktisk, men billig lyskilde. Kun omkring 12 % af den samlede energi, der frigives til lampens glødetråd ved elektrisk strøm, omdannes til lysenergi. Endelig er den termiske lyskilde også en flamme. Sodkorn (brændstofpartikler, der ikke har nået at brænde) bliver opvarmet på grund af den energi, der frigives under brændstofforbrændingen og udsender lys.

Elektroluminescens. Den energi, der kræves for atomer til at udsende lys, kan også komme fra ikke-termiske kilder. Under en udladning i gasser giver det elektriske felt større kinetisk energi til elektronerne. Hurtig elektronoplevelse uelastiske sammenstød med atomer. En del af elektronernes kinetiske energi går til at excitere atomer. Ophidsede atomer frigiver energi i form af lysbølger. Som et resultat er udledningen i gassen ledsaget af en glød. Dette er elektroluminescens.

Nordlyset er også en manifestation af elektroluminescens. Strømme af ladede partikler, der udsendes af Solen, fanges magnetfelt Jorden. De ophidser dig magnetiske poler Jordens atomer øverste lag atmosfære, hvilket får disse lag til at gløde. Fænomenet elektroluminescens bruges i rør til reklameindskrifter.

Katodoluminescens. Gløden af faste stoffer forårsaget af bombardement af elektroner kaldes katodoluminescens. Takket være katodoluminescens lyser tv-katodestrålerørskærme.

Kemiluminescens. I nogle kemiske reaktioner, der frigiver energi, bruges en del af denne energi direkte på udsendelse af lys. Lyskilden forbliver kølig (den er ved omgivelsestemperatur). Dette fænomen kaldes kemiluminescens. Næsten alle af jer er sikkert bekendt med det. Om sommeren i skoven om natten kan du se et insekt - en ildflue. En lille grøn "lommelygte" "brænder" på hans krop. Du vil ikke brænde dine fingre ved at fange en ildflue. Den lysende plet på ryggen har næsten samme temperatur som den omgivende luft. Andre levende organismer har også den egenskab at de gløder: bakterier, insekter og mange fisk, der lever på store dybder. Stykker af rådnende træ lyser ofte i mørke.

Fotoluminescens. Lys, der falder ind på et stof, reflekteres delvist og delvist absorberet. Energien fra absorberet lys forårsager i de fleste tilfælde kun opvarmning af kroppe. Nogle kroppe begynder dog selv at lyse direkte under påvirkning af stråling, der rammer dem. Dette er fotoluminescens. Lys exciterer stoffets atomer (øger deres indre energi), og derefter belyses de selv. For eksempel udsender lysende maling, der dækker juletræspynt, lys efter bestråling.

Vavilov Sergei Ivanovich (1891-1951)- Sovjetisk fysiker, stat og offentlig person, præsident for USSR Academy of Sciences i 1945-1951. Grundlæggende videnskabelige arbejder dedikeret fysisk optik og primært fotoluminescens. Under hans ledelse blev teknologien til fremstilling af fluorescerende lamper udviklet, og metoden til selvlysende analyse af den kemiske sammensætning af stoffer blev udviklet. Under hans ledelse åbnede P. A. Cherenkov i 1934. lysemission elektroner, der bevæger sig i et medium med en hastighed, der overstiger lysets hastighed i dette medium.

Lyset, der udsendes under fotoluminescens, har som regel en længere bølgelængde end det lys, der exciterer gløden. Dette kan observeres eksperimentelt. Hvis du retter en lysstråle, der passerer gennem et fluorescerende lysfilter, ind på et kar med fluorescein (et organisk farvestof), så begynder denne væske at lyse med grøn-gult lys, det vil sige lys med en længere bølgelængde end det fluorescerende lys.

Fænomenet fotoluminescens er meget udbredt i fluorescerende lamper. Den sovjetiske fysiker S.I. Vavilov foreslog at dække den indre overflade af udledningsrøret med stoffer, der er i stand til at gløde klart under påvirkning af kortbølget stråling fra en gasudledning.

Fluorescerende lamper er cirka 3-4 gange mere økonomiske end konventionelle glødelamper.

Af de anførte hovedtyper af stråling er den mest almindelige termisk stråling.

1. Hvilke lyskilder kender du!
2. Hvilke typer stråling har påvirket dig inden for de seneste 24 timer!

Myakishev G. Ya., Fysik. 11. klasse: pædagogisk. til almen uddannelse institutioner: basis og profil. niveauer / G. Ya Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin. redigeret af V. I. Nikolaeva, N. A. Parfentieva. - 17. udg., revideret. og yderligere - M.: Uddannelse, 2008. - 399 s.: ill.

Kalendertematisk planlægning i fysik, opgaver og svar til skolebørn online, kurser for lærere i fysik download

Lektionens indhold lektionsnotater understøttende frame lektion præsentation acceleration metoder interaktive teknologier Øve sig opgaver og øvelser selvtest workshops, træninger, cases, quests hjemmeopgaver kontroversielle spørgsmål retoriske spørgsmål fra studerende Illustrationer lyd, videoklip og multimedier fotografier, billeder, grafik, tabeller, diagrammer, humor, anekdoter, vittigheder, tegneserier, lignelser, ordsprog, krydsord, citater Tilføjelser abstracts artikler tricks for de nysgerrige krybber lærebøger grundlæggende og supplerende ordbog over begreber andet Forbedring af lærebøger og lektionerrette fejl i lærebogen opdatering af et fragment i en lærebog, elementer af innovation i lektionen, udskiftning af forældet viden med ny Kun for lærere perfekte lektioner kalenderplan for et år retningslinier diskussionsprogrammer Integrerede lektioner

Termisk stråling og luminescens.

Den energi, som et lysende legeme bruger på stråling, kan genopbygges fra forskellige kilder. Fosfor, der oxideres i luften, lyser på grund af den energi, der frigives under den kemiske omdannelse. Denne type glød kaldes kemiluminescens. Gløden der opstår når forskellige typer uafhængig gasudladning kaldes elektroluminescens. Gløden af faste stoffer forårsaget af bombardement af elektroner kaldes katodoluminescens. Emission fra et legeme af stråling af en bestemt bølgelængde, der er karakteristisk for det λ 1 kan være forårsaget af bestråling af denne krop (eller tidligere har bestrålet den) med stråling af bølgelængden λ 1 mindre end λ 2. Sådanne processer kombineres under navnet fotoluminescens (Luminescens er stråling, der overstiger den termiske stråling af et legeme ved en given temperatur og har en varighed, der væsentligt overstiger perioden for de udsendte bølger. Selvlysende stoffer kaldes fosfor ).

Figur 8. 1 Kemiluminescens

Figur 8. 2 Fotoluminescens

Figur 8. 3 Elektroluminescens.

Det mest almindelige er kroppens glød på grund af deres opvarmning. Denne type glød kaldes termisk (eller temperatur) stråling. Termisk stråling forekommer ved enhver temperatur, men ved lave temperaturer udsendes næsten kun lange (infrarøde) elektromagnetiske bølger.

Lad os omgive det udstrålende legeme med en uigennemtrængelig skal med en perfekt reflekterende overflade (fig.).

Stråling, der falder på en krop, absorberes af den (delvist eller fuldstændigt). Følgelig vil der være en kontinuerlig udveksling af energi mellem kroppen og den stråling, der fylder skallen. Hvis energifordelingen mellem kroppen og strålingen forbliver uændret for hver bølgelængde, vil kropsstrålingssystemets tilstand være i ligevægt. Erfaring viser, at den eneste type stråling, der kan være i ligevægt med udstrålende legemer, er termisk stråling. Alle andre typer stråling viser sig at være uligevægtige.

Termisk strålings evne til at være i ligevægt med udstrålende legemer skyldes, at dens intensitet stiger med stigende temperatur. Lad os antage, at balancen mellem kroppen og stråling (se figur) er brudt, og kroppen udsender mere energi, end den optager.

Derefter indre energi kroppen vil falde, hvilket vil føre til et fald i temperaturen. Dette vil igen forårsage et fald i mængden af energi, der udsendes af kroppen. Kropstemperaturen vil falde, indtil mængden af energi, som kroppen udsender, bliver lig med tallet absorberet energi. Hvis ligevægten forstyrres i den anden retning, det vil sige, at mængden af udsendt energi er mindre end den absorberede, vil kropstemperaturen stige, indtil ligevægten er etableret igen. En ubalance i kropsstrålingssystemet forårsager således fremkomsten af processer, der genopretter balancen.

Situationen er anderledes i tilfælde af enhver form for luminescens. Lad os demonstrere dette ved at bruge eksemplet med kemiluminescens. Mens den kemiske reaktion, der forårsager stråling, finder sted, bevæger det udstrålende legeme sig længere og længere væk fra sin oprindelige tilstand. Absorption af stråling af et legeme vil ikke ændre retningen af reaktionen, men vil tværtimod føre til en hurtigere (på grund af opvarmning) reaktion i den oprindelige retning. Ligevægt vil først blive etableret, når hele forsyningen af reagerende stoffer og Gløden er forbrugt.

betinget kemiske processer, vil blive erstattet af termisk stråling.

Så af alle typer stråling kan kun termisk stråling være i ligevægt. Termodynamikkens love gælder for ligevægtstilstande og -processer. Derfor skal termisk stråling adlyde visse generelle mønstre, der udspringer af termodynamikkens principper. Vi vil nu gå videre til at overveje disse mønstre.

8.2 Kirchhoffs lov.

Lad os introducere nogle karakteristika ved termisk stråling.

Energi flow (eventuelle frekvenser), udsendes af en enhedsoverflade af et udstrålende legeme pr. tidsenhed i alle retninger(inden for den frie vinkel 4π), hedder kroppens energiske lysstyrke (R) [R] = W/m2 .

Stråling består af bølger med forskellige frekvenser (ν). Lad os betegne strømmen af energi, der udsendes af en enhedsoverflade af et legeme i frekvensområdet fra ν til ν + dν, gennem d Rν. Derefter ved en given temperatur.

Hvor - spektral tæthed energisk lysstyrke, eller kroppens emissionsevne .

Erfaring viser, at et legemes emissivitet afhænger af kroppens temperatur (for hver temperatur ligger den maksimale stråling i sit eget frekvensområde). Dimension .

Ved at kende emissiviteten kan vi beregne energisk lysstyrke:

Lad en flux af strålingsenergi dФ falde på et elementært område af kropsoverfladen, forårsaget af elektromagnetiske bølger, hvis frekvenser er indeholdt i intervallet dν. En del af dette flow vil blive absorberet af kroppen. Dimensionsløs

hedder kroppens absorptionsevne . Det afhænger også meget af temperaturen.

Per definition kan det ikke være det mere end en. For en krop, der fuldstændig absorberer stråling af alle frekvenser, . Sådan en krop kaldes helt sort (dette er en idealisering).

Kroppen som og mindre end enhed for alle frekvenser,hedder grå krop (dette er også en idealisering).

Der er en vis sammenhæng mellem en krops emissive og absorberende kapacitet. Lad os mentalt udføre følgende eksperiment.

Lad der være tre kroppe inde i en lukket skal. Kropper er i et vakuum, derfor kan energiudveksling kun ske gennem stråling. Erfaring viser, at et sådant system efter nogen tid vil nå en tilstand af termisk ligevægt (alle legemer og skallen vil have samme temperatur).

I denne tilstand mister et legeme med større emissivitet mere energi pr. tidsenhed, men derfor skal denne krop også have større absorptionskapacitet:

Gustav Kirchhoff formulerede i 1856 lov og foreslog sort kropsmodel .

Forholdet mellem emissivitet og absorptionsevne afhænger ikke af kroppens natur, det er det samme for alle legemer(universel)funktion af frekvens og temperatur.

hvor f(- universel funktion Kirchhoff.

Denne funktion har en universel eller absolut karakter.

Mængderne og , taget hver for sig, kan ændre sig ekstremt kraftigt, når man bevæger sig fra en krop til en anden, men deres forhold konstant for alle legemer (ved en given frekvens og temperatur).

For en absolut sort krop, =1, derfor, for det f(, dvs. den universelle Kirchhoff-funktion er intet andet end emissiviteten af en helt sort krop.

Absolut sorte kroppe findes ikke i naturen. Sod eller platinsort har en absorptionsevne på 1, men kun i et begrænset frekvensområde. Et hulrum med et lille hul er dog i sine egenskaber meget tæt på en helt sort krop. En stråle, der kommer ind, absorberes nødvendigvis efter flere refleksioner og en stråle af enhver frekvens.

Emissiviteten af en sådan enhed (hulrum) er meget tæt på f(ν ,T). Således, hvis hulrumsvæggene holdes ved en temperatur T, så kommer stråling ud af hullet, meget tæt i spektral sammensætning på strålingen fra et absolut sort legeme ved samme temperatur.

Ved at nedbryde denne stråling til et spektrum kan man finde den eksperimentelle form for funktionen f(ν ,T)(Fig. 1.3), med forskellige temperaturer T 3 > T 2 > T 1 .

Området dækket af kurven giver den energiske lysstyrke af en sort krop ved den tilsvarende temperatur.

Disse kurver er de samme for alle kroppe.

Kurverne ligner den molekylære hastighedsfordelingsfunktion. Men dér er de arealer, kurverne dækker, konstante, men her med stigende temperatur øges arealet markant. Dette tyder på, at energetisk kompatibilitet er meget afhængig af temperaturen. Maksimal stråling (emissivitet) med stigende temperatur skifter mod højere frekvenser.

Introduktion……………………………………………………………………………………….2

Strålingsmekanisme………………………………………………………………………………………..3

Energifordeling i spektret……………………………………………………………….4

Typer af spektre……………………………………………………………………………………………………….6

Typer af spektralanalyser………………………………………………………………7

Konklusion………………………………………………………………………………………..9

Litteratur……………………………………………………………………………………………….11

Introduktion

Spektrum er nedbrydning af lys i dets bestanddele, stråler af forskellige farver.

Metoden til at studere den kemiske sammensætning af forskellige stoffer ud fra deres linjeemissions- eller absorptionsspektre kaldes spektral analyse. Der kræves en ubetydelig mængde stof til spektralanalyse. Dens hastighed og følsomhed har gjort denne metode uundværlig både i laboratorier og i astrofysik. Da hvert kemisk element i det periodiske system kun udsender et linjeemissions- og absorptionsspektrum, der er karakteristisk for det, gør dette det muligt at studere den kemiske sammensætning af stoffet. Fysikerne Kirchhoff og Bunsen forsøgte første gang at lave den i 1859 ved at bygge spektroskop. Lys blev ført ind i det gennem en smal spalte skåret fra den ene kant af teleskopet (dette rør med en spalte kaldes en kollimator). Fra kollimatoren faldt strålerne ned på et prisme dækket af en kasse beklædt med sort papir på indersiden. Prismet afbøjede strålerne, der kom fra spalten. Resultatet var et spektrum. Herefter dækkede de vinduet til med et gardin og placerede en tændt brænder ved kollimatorspalten. Stykker af forskellige stoffer blev indført skiftevis i stearinlysets flamme og så gennem den anden teleskop til det resulterende spektrum. Det viste sig, at glødende dampe fra hvert element producerede stråler af en strengt defineret farve, og prismet afbøjede disse stråler til et strengt defineret sted, og derfor kunne ingen farve maskere den anden. Dette førte til den konklusion, at der var fundet en radikalt ny metode til kemisk analyse - ved at bruge et stofs spektrum. I 1861, baseret på denne opdagelse, beviste Kirchhoff tilstedeværelsen af en række grundstoffer i Solens kromosfære, hvilket lagde grundlaget for astrofysik.

Strålingsmekanisme

Lyskilden skal forbruge energi. Lys er elektromagnetiske bølger med en bølgelængde på 4*10 -7 - 8*10 -7 m. Elektromagnetiske bølger udsendes ved den accelererede bevægelse af ladede partikler. Disse ladede partikler er en del af atomer. Men uden at vide, hvordan atomet er opbygget, kan der ikke siges noget pålideligt om strålingsmekanismen. Det er kun tydeligt, at der ikke er lys inde i et atom, ligesom der ikke er nogen lyd i en klaverstreng. Som en streng, der først begynder at lyde efter at være blevet ramt af en hammer, føder atomer først lys, når de er ophidset.

For at et atom kan begynde at udstråle, skal energi overføres til det. Når et atom udsender, mister det den energi, det modtager, og for et stofs kontinuerlige glød er det nødvendigt med en tilstrømning af energi til dets atomer udefra.

Termisk stråling. Den enkleste og mest almindelige type stråling er termisk stråling, hvor den energi, atomer taber for at udsende lys, kompenseres af energien fra termisk bevægelse af atomer eller (molekyler) af det udsendende legeme. Jo højere kropstemperaturen er, jo hurtigere bevæger atomerne sig. Når hurtige atomer (molekyler) kolliderer med hinanden, omdannes en del af deres kinetiske energi til excitationsenergi af atomerne, som så udsender lys.

Den termiske kilde til stråling er Solen samt en almindelig glødelampe. Lampen er en meget praktisk, men billig kilde. Kun omkring 12 % af den samlede energi, der frigives af elektrisk strøm i en lampe, omdannes til lysenergi. Den termiske lyskilde er en flamme. Sodkorn opvarmes på grund af den energi, der frigives ved brændstofforbrænding og udsender lys.

Elektroluminescens. Den energi, atomer behøver for at udsende lys, kan også komme fra ikke-termiske kilder. Under en udladning i gasser giver det elektriske felt større kinetisk energi til elektronerne. Hurtige elektroner oplever kollisioner med atomer. En del af elektronernes kinetiske energi går til at excitere atomer. Ophidsede atomer frigiver energi i form af lysbølger. På grund af dette er udledningen i gassen ledsaget af en glød. Dette er elektroluminescens.

Katodoluminescens. Gløden af faste stoffer forårsaget af bombardement af elektroner kaldes katodoluminescens. Takket være katodoluminescens lyser skærmene på katodestrålerør på fjernsyn.

Fotoluminescens. Lys, der falder ind på et stof, reflekteres delvist og delvist absorberet. Energien fra absorberet lys forårsager i de fleste tilfælde kun opvarmning af kroppe. Nogle kroppe begynder dog selv at lyse direkte under påvirkning af stråling, der rammer dem. Dette er fotoluminescens. Lys exciterer et stofs atomer (øger deres indre energi), hvorefter de selv belyses. For eksempel udsender de lysende malinger, der dækker mange juletræspyntninger, lys efter at være blevet bestrålet.

passeret gennem et violet lysfilter, begynder denne væske at lyse med grøn-gult lys, altså lys med en længere bølgelængde end violet lys.

Hovedtyperne af stråling og de kilder, der skaber dem, er listet. De mest almindelige strålingskilder er termiske.

Energifordeling i spektret

På skærmen bag brydningsprismet er monokromatiske farver i spektret arrangeret i følgende rækkefølge: rød (som har den længste bølgelængde blandt synlige lysbølger (k = 7,6 (10-7 m og det mindste brydningsindeks), orange, gul) , grøn, cyan, blå og violet (har den korteste bølgelængde i det synlige spektrum (f = 4 (10-7 m og det højeste brydningsindeks). Ingen af kilderne producerer monokromatisk lys, det vil sige lys med en strengt defineret bølgelængde). Eksperimenter med nedbrydning af lys til et spektrum ved hjælp af et prisme, samt eksperimenter med interferens og diffraktion.

Den energi, som lyset fører med sig fra kilden, fordeles på en bestemt måde over de bølger af alle længder, der udgør lysstrålen. Vi kan også sige, at energi er fordelt over frekvenser, da der er en simpel sammenhæng mellem bølgelængde og frekvens: v = c.

Fluxtætheden af elektromagnetisk stråling, eller intensiteten /, bestemmes af energien &W, der kan tilskrives alle frekvenser. For at karakterisere frekvensfordelingen af stråling er det nødvendigt at indføre en ny størrelse: intensiteten pr. enhedsfrekvensinterval. Denne størrelse kaldes den spektrale tæthed af strålingsintensiteten.

Den spektrale strålingsfluxtæthed kan findes eksperimentelt. For at gøre dette skal du bruge et prisme for at opnå emissionsspektrum, for eksempel en elektrisk lysbue, og mål strålingsfluxtætheden, der falder på små spektrale intervaller med bredden Av.

Et almindeligt termometer er for følsomt til at kunne bruges i sådanne eksperimenter. Mere følsomme instrumenter er nødvendige for at måle temperaturen. Du kan tage et elektrisk termometer, hvor det følsomme element er lavet i form af en tynd metalplade. Denne plade skal være belagt med et tyndt lag sod, som næsten fuldstændigt absorberer lys af enhver bølgelængde.

Enhedens varmefølsomme plade skal placeres et eller andet sted i spektret. Hele det synlige spektrum af længde l fra røde til violette stråler svarer til frekvensintervallet fra v cr til y f. Bredden svarer til et lille interval Av. Ved at opvarme enhedens sorte plade kan man bedømme strålingsfluxtætheden pr. frekvensinterval Av. Bevæger vi pladen langs spektret, vil vi opdage, at det meste af energien er i den røde del af spektret, og ikke i den gul-grønne, som det ser ud for øjet.

Baseret på resultaterne af disse eksperimenter er det muligt at konstruere en kurve over afhængigheden af den spektrale tæthed af strålingsintensiteten af frekvensen. Den spektrale tæthed af strålingsintensiteten bestemmes af pladens temperatur, og frekvensen er ikke svær at finde, hvis den enhed, der bruges til at nedbryde lyset, er kalibreret, det vil sige, hvis man ved, hvilken frekvens en given del af spektret svarer til til.

Ved at plotte langs abscisseaksen værdierne af de frekvenser, der svarer til midtpunkterne i intervallerne Av, og langs ordinataksen spektraltætheden af strålingsintensiteten, får vi et antal punkter, hvorigennem vi kan tegne en glat kurve. Denne kurve giver en visuel repræsentation af fordelingen af energi og den synlige del af lysbuens spektrum.

Spektraludstyr. Til nøjagtig undersøgelse af spektre er sådanne simple anordninger som en smal spalte, der begrænser lysstrålen, og et prisme ikke længere tilstrækkelige. Der er brug for instrumenter, der giver et klart spektrum, dvs. instrumenter, der godt kan adskille bølger af forskellig længde og ikke tillader individuelle dele af spektret at overlappe hinanden. Sådanne enheder kaldes spektrale enheder. Oftest er hoveddelen af spektralapparatet et prisme eller diffraktionsgitter.

Lad os overveje designdiagrammet for et prismespektralapparat. Den stråling, der undersøges, trænger først ind i en del af enheden kaldet en kollimator. Kollimatoren er et rør, i den ene ende af hvilken der er en skærm med en smal spalte, og i den anden - en samlelinse. Spalten er ved objektivets brændvidde. Derfor kommer en divergerende lysstråle, der falder ind på linsen fra spalten, ud af den som en parallel stråle og falder på prismet.

Da forskellige frekvenser svarer til forskellige brydningsindekser, kommer parallelle stråler, der ikke er sammenfaldende i retning, ud af prismet. De falder på linsen. Ved brændvidden af dette objektiv er der en skærm - matteret glas eller

fotografisk plade. Linsen fokuserer parallelle stråler af stråler på skærmen, og i stedet for ét billede af spalten opnås en hel række billeder. Hver frekvens (snævert spektralt interval) har sit eget billede. Alle disse billeder danner tilsammen et spektrum.

Den beskrevne enhed kaldes en spektrograf. Hvis der i stedet for en anden linse og skærm bruges et teleskop til visuelt at observere spektre, kaldes enheden et spektroskop, beskrevet ovenfor. Prismer og andre dele af spektralenheder er ikke nødvendigvis lavet af glas. I stedet for glas bruges også gennemsigtige materialer som kvarts, stensalt osv.

Typer af spektre

Den spektrale sammensætning af stråling fra stoffer er meget forskelligartet. Men på trods af dette kan alle spektre, som erfaringen viser, opdeles i flere typer:

Kontinuerlige spektre. Solspektret eller lysbuespektret er kontinuerligt. Det betyder, at spektret indeholder bølger af alle bølgelængder. Der er ingen brud i spektret, og en kontinuerlig flerfarvet strimmel kan ses på spektrografskærmen.

Fordelingen af energi over frekvenser, dvs. den spektrale tæthed af strålingsintensitet, er forskellig for forskellige legemer. For eksempel udsender et legeme med en meget sort overflade elektromagnetiske bølger af alle frekvenser, men kurven for afhængigheden af den spektrale tæthed af strålingsintensiteten på frekvensen har et maksimum ved en bestemt frekvens. Strålingsenergien ved meget lave og meget høje frekvenser er ubetydelig. Med stigende temperatur skifter den maksimale spektrale tæthed af stråling mod kortere bølger.

Kontinuerlige (eller kontinuerlige) spektre, som erfaring viser, er givet af legemer i fast eller flydende tilstand, såvel som højt komprimerede gasser. For at opnå et kontinuerligt spektrum skal kroppen opvarmes til en høj temperatur.

Arten af det kontinuerlige spektrum og selve dets eksistens bestemmes ikke kun af egenskaberne af individuelle emitterende atomer, men afhænger også i høj grad af atomernes interaktion med hinanden.

Et kontinuerligt spektrum produceres også af højtemperaturplasma. Elektromagnetiske bølger udsendes hovedsageligt af plasma, når elektroner kolliderer med ioner.

Linjespektre. Lad os tilføje et stykke asbest fugtet med en opløsning af almindeligt bordsalt i den blege flamme af en gasbrænder.

Når man observerer en flamme gennem et spektroskop, vil en lys gul linje blinke mod baggrunden af det knapt synlige kontinuerlige spektrum af flammen. Denne gule linje er produceret af natriumdamp, som dannes, når molekylerne af bordsalt nedbrydes i en flamme. Hver af dem er en palisade af farvede linjer med varierende lysstyrke, adskilt af bred mørke

striber. Sådanne spektre kaldes linjespektre. Tilstedeværelsen af et linjespektrum betyder, at et stof kun udsender lys ved bestemte bølgelængder (mere præcist i visse meget snævre spektrale intervaller). Hver linje har en begrænset bredde.

Linjespektre giver alle stoffer i den gasformige atomare (men ikke molekylære) tilstand. I dette tilfælde udsendes lys af atomer, der praktisk talt ikke interagerer med hinanden. Dette er den mest grundlæggende, grundlæggende type spektre.

Isolerede atomer udsender strengt definerede bølgelængder. For at observere linjespektre anvendes typisk gløden af damp fra et stof i en flamme eller gløden fra en gasudledning i et rør fyldt med den gas, der undersøges.

Efterhånden som densiteten af atomgassen øges, udvider de enkelte spektrallinjer sig, og endelig, med meget høj kompression af gassen, når atomernes vekselvirkning bliver signifikant, overlapper disse linjer hinanden og danner et kontinuerligt spektrum.

Stribede spektre. Det båndede spektrum består af individuelle bånd adskilt af mørke rum. Ved hjælp af et meget godt spektralapparat er det muligt

opdage, at hver stribe er en samling af et stort antal linjer med meget tæt afstand. I modsætning til linjespektre er stribede spektre ikke skabt af atomer, men af molekyler, der ikke er bundet eller svagt bundet til hinanden.

For at observere molekylære spektre, såvel som til at observere linjespektre, bruges normalt gløden af damp i en flamme eller gløden fra en gasudledning.

Absorptionsspektre. Alle stoffer, hvis atomer er i en exciteret tilstand, udsender lysbølger, hvis energi er fordelt på en bestemt måde over bølgelængder. Et stofs absorption af lys afhænger også af bølgelængden. Rødt glas transmitterer således bølger svarende til rødt lys og absorberer alle andre.

Hvis du sender hvidt lys gennem en kold, ikke-emitterende gas, vises mørke linjer på baggrund af kildens kontinuerlige spektrum. Gassen absorberer mest intenst lyset af netop de bølgelængder, som den udsender, når den opvarmes kraftigt. Mørke linjer på baggrund af et kontinuerligt spektrum er absorptionslinjer, der tilsammen danner et absorptionsspektrum.

Der er kontinuerte, linje- og stribede emissionsspektre og det samme antal typer absorptionsspektre.

Linjespektre spiller en særlig vigtig rolle, fordi deres struktur er direkte relateret til atomets struktur. Disse spektre er jo skabt af atomer, der ikke oplever ydre påvirkninger. Ved at stifte bekendtskab med linjespektre tager vi derfor det første skridt mod at studere atomers struktur. Ved at observere disse spektre opnåede videnskabsmænd

muligheden for at "kigge" ind i atomet. Her kommer optikken i tæt kontakt med atomfysikken.

Typer af spektralanalyser

Linjespektrenes hovedegenskab er, at bølgelængderne (eller frekvenserne) af ethvert stofs linjespektrum kun afhænger af egenskaberne af dette stofs atomer, men er fuldstændig uafhængige af excitationsmetoden for atomernes luminescens. Atomer

ethvert kemisk grundstof giver et spektrum, der ikke ligner spektrene for alle andre grundstoffer: de er i stand til at udsende et strengt defineret sæt bølgelængder.

Dette er grundlaget for spektralanalyse - en metode til at bestemme den kemiske sammensætning af et stof fra dets spektrum. Ligesom menneskelige fingeraftryk har linjespektre en unik personlighed. Det unikke ved mønstrene på fingerens hud hjælper ofte med at finde den kriminelle. På samme måde er der på grund af spektrenes individualitet

evnen til at bestemme kroppens kemiske sammensætning. Ved hjælp af spektralanalyse kan du opdage dette element i sammensætningen af et komplekst stof. Dette er en meget følsom metode.

I øjeblikket kendt følgende typer spektralanalyser - Atomspektralanalyse (ASA)(bestemmer grundstofsammensætningen af en prøve ud fra atomare (ion) emission og absorptionsspektre), emission ASA(baseret på emissionsspektrene for atomer, ioner og molekyler exciteret af forskellige kilder til elektromagnetisk stråling i området fra g-stråling til mikrobølger) atomabsorption SA(udført ved hjælp af absorptionsspektrene for elektromagnetisk stråling fra de analyserede objekter (atomer, molekyler, stofioner i forskellige aggregeringstilstande)), atomfluorescens SA, molekylær spektralanalyse (MSA) (molekylær sammensætning stoffer ved molekylære spektre af absorption, luminescens og Raman-spredning af lys). kvalitet ISA(det er nok at fastslå tilstedeværelsen eller fraværet af analytiske linjer for de elementer, der bestemmes. Baseret på linjernes lysstyrke under visuel inspektion kan man give et groft skøn over indholdet af visse elementer i prøven). kvantitativ ISA(udføres ved at sammenligne intensiteterne af to spektrallinjer i prøvens spektrum, hvoraf den ene tilhører det grundstof, der skal bestemmes, og den anden (sammenligningslinjen) til prøvens hovedelement, hvis koncentration er kendt, eller et grundstof, der er specielt indført i en kendt koncentration).

MSA er baseret på en kvalitativ og kvantitativ sammenligning af det målte spektrum af den undersøgte prøve med spektrene for individuelle stoffer. Derfor skelnes der mellem kvalitativ og kvantitativ ISA. I ISA bruger de forskellige slags molekylære spektre, rotationsspektre [spektre i mikrobølge- og langbølge-infrarøde (IR) regioner], vibrations- og vibrations-rotationelle [absorptions- og emissionsspektre i midt-IR-området, Raman-spektre, IR-fluorescensspektre], elektronisk, elektronisk -vibration og elektronisk vibration-rotation [absorptions- og transmissionsspektre i de synlige og ultraviolette (UV) områder, fluorescensspektre]. MSA tillader analyse af små mængder (i nogle tilfælde en brøkdel mcg og mindre) stoffer i forskellige aggregeringstilstande.

Kvantitativ analyse af sammensætningen af et stof baseret på dets spektrum er vanskelig, da lysstyrken af spektrallinjerne afhænger ikke kun af stoffets masse, men også af metoden til excitation af gløden. Ved lave temperaturer vises mange spektrallinjer således slet ikke. Men under forudsætning af standardbetingelser for excitation af gløden, kan kvantitativ spektralanalyse også udføres.

Den mest nøjagtige af disse tests er atomabsorption SA. AAA-teknikken er meget enklere sammenlignet med andre metoder, den er karakteriseret ved høj nøjagtighed ved bestemmelse af ikke kun små, men også store koncentrationer af elementer i prøver. AAA erstatter med succes arbejdskrævende og tidskrævende kemiske metoder analyse, ikke ringere end dem i nøjagtighed.

Konklusion

Det var ved hjælp af spektralanalyse, at den kemiske sammensætning af Solen og stjernerne blev lært. Andre analysemetoder er generelt umulige her. Det viste sig, at stjerner består af de samme kemiske grundstoffer, som findes på Jorden. Det er mærkeligt, at helium oprindeligt blev opdaget i Solen og først derefter fundet i Jordens atmosfære. Navnet på denne

element minder om historien om sin opdagelse: Ordet helium betyder "sol" i oversættelse.

På grund af dens komparative enkelhed og alsidighed er spektralanalyse den vigtigste metode til at overvåge sammensætningen af et stof i metallurgi, maskinteknik og nuklear industri. Ved hjælp af spektralanalyse bestemmes den kemiske sammensætning af malme og mineraler.

Sammensætningen af komplekse, hovedsageligt organiske, blandinger analyseres ved deres molekylære spektre.

Spektralanalyse kan udføres ikke kun fra emissionsspektre, men også fra absorptionsspektre. Det er absorptionslinjerne i Solens og stjernernes spektrum, der gør det muligt at studere den kemiske sammensætning af disse himmellegemer. Solens klart lysende overflade - fotosfæren - producerer et kontinuerligt spektrum. Solens atmosfære absorberer selektivt lys fra fotosfæren, hvilket fører til fremkomsten af absorptionslinjer på baggrund af fotosfærens kontinuerlige spektrum.

Men selve solens atmosfære udsender lys. Under solformørkelser, når solskiven er dækket af Månen, vendes linjerne i spektret. I stedet for absorptionslinjer i solspektret blinker emissionslinjer.

I astrofysik betyder spektralanalyse ikke kun bestemmelsen af den kemiske sammensætning af stjerner, gasskyer osv., men også bestemmelsen af mange

andre fysiske egenskaber ved disse objekter: temperatur, tryk, bevægelseshastighed, magnetisk induktion.

Express ASA-metoder er meget udbredt i industri, landbrug, geologi og mange andre områder af den nationale økonomi og videnskab. ASA spiller en væsentlig rolle inden for nuklear teknologi, fremstilling af rene halvledermaterialer, superledere osv. Mere end 3/4 af alle analyser inden for metallurgi udføres ved hjælp af ASA-metoder. Ved hjælp af kvantemålere udføres en operationel procedure (inden for 2-3 min) kontrol under smeltning i åben ildsted og konverterproduktion. I geologi og geologisk udforskning For at vurdere forekomster udføres omkring 8 millioner analyser om året. ASA bruges til miljøbeskyttelse og jordbundsanalyser, inden for retsmedicin og medicin, havbundsgeologi og studiet af den øvre atmosfæres sammensætning, med

adskillelse af isotoper og bestemmelse af alder og sammensætning af geologiske og arkæologiske genstande mv.

Så spektralanalyse bruges i næsten alle de vigtigste områder af menneskelig aktivitet. Således er spektralanalyse et af de vigtigste aspekter af udviklingen af ikke kun videnskabelige fremskridt, men også selve standarden for menneskets liv.

Litteratur

Zaidel A.N., Fundamentals of Spectral Analysis, M., 1965,

Metoder til spektralanalyse, M, 1962;

Chulanovsky V.M., Introduktion til molekylær spektralanalyse, M. - L., 1951;

Rusanov A.K., Grundlæggende om kvantitativ spektralanalyse af malme og mineraler. M., 1971

Stråling har længe været kendt i naturen, som er anderledes end alle kendte strålingstyper (termisk stråling, refleksion, lysspredning osv.). Denne stråling er selvlysende stråling, som eksempler på kroppes glød, når den bestråles med synlig, ultraviolet og røntgenstråling, -stråling osv. Stoffer, der er i stand til at gløde under påvirkning af forskellige typer excitationer, kaldes fosfor.

Luminescens- ikke-ligevægtsstråling, som ved en given temperatur er overskydende i forhold til kroppens termiske stråling og har en længere varighed end lysoscillationsperioden. Den første del af denne definition fører til den konklusion, at luminescens ikke er termisk stråling (se § 197), da ethvert legeme ved en temperatur over 0 K udsender elektromagnetiske bølger, og sådan stråling er termisk. Anden del viser, at luminescens ikke er en form for glød såsom refleksion og spredning af lys, bremsstrahlung stråling af ladede partikler osv. Lysoscillationsperioden er ca. 10 -15 s, derfor den varighed, hvormed gløden kan klassificeres da luminescensen er længere - cirka 10 -10 s. Skilt

Glødens varighed gør det muligt at skelne luminescens fra andre ikke-ligevægtsprocesser. Ud fra dette kriterium var det således muligt at fastslå, at Vavilov-Cherenkov-strålingen (se §189) ikke kan tilskrives luminescens.

Afhængigt af excitationsmetoderne er der: fotoluminescens(under påvirkning af lys), Røntgen luminescens(under påvirkning af røntgenstråler), katodoluminescens(under påvirkning af elektroner), elektroluminescens(under påvirkning af et elektrisk felt), radioluminescens(når exciteret af nuklear stråling, for eksempel -stråling, neutroner, protoner), kemiluminescens(under kemiske omdannelser), triboluminescens(når du maler og knækker visse krystaller, såsom sukker). Baseret på glødens varighed skelnes de konventionelt: fluorescens(t10 -8 s) og fosforescens- en glød, der fortsætter i en mærkbar periode efter ophør af excitation.

Den første kvantitative undersøgelse af luminescens blev udført for mere end hundrede år siden J. Stokes, som formulerede følgende regel i 1852: bølgelængden af luminescerende stråling er altid større end bølgelængden af det lys, der exciterede den (fig. 326). Fra et kvantesynspunkt betyder Stokes' regel, at energien hv af den indfaldende foton bruges delvist på nogle ikke-optiske processer, dvs.

hv=hv lumen +E,

hvorfra v lum , som følger af den formulerede regel.

Den vigtigste energikarakteristik af luminescens er energiproduktion, introduceret af S.I. Vavilov i 1924 - forholdet mellem den energi, der udsendes af en fosfor, når den er fuldt oplyst, og den energi, der absorberes af den. Typisk for organiske phosphorstoffer (ved at bruge eksemplet med en fluoresceinopløsning), er afhængigheden af energioutputtet  af bølgelængden  af det exciterende lys vist i fig. 327. Af figuren følger det, at  først stiger i forhold til , og derefter, når en maksimal værdi, hurtigt falder til nul med yderligere stigning TIL(Vavilovs lov). Energiudbyttet for forskellige phosphorstoffer varierer inden for ret vide grænser, og dets maksimale værdi kan nå op på ca. 80%.

Faste stoffer, som effektivt er selvlysende kunstigt fremstillede krystaller med fremmede urenheder, kaldes krystalfosfor. Ved at bruge krystalfosfor som et eksempel vil vi overveje mekanismerne for luminescensforekomst ud fra båndteorien om faste stoffer. Mellem valensbåndet og ledningsbåndet af krystalfosfor er der urenhedsniveauer af aktivatoren (fig. 328). På

Når et aktivatoratom absorberer en foton med energi hv, overføres en elektron fra urenhedsniveauet til ledningsbåndet og bevæger sig frit gennem krystallen, indtil den støder på en aktivatorion og rekombinerer med den og bevæger sig igen til urenhedsniveauet. Rekombination er ledsaget af emission af et selvlysende kvante. Glødetiden for fosforen bestemmes af levetiden for aktivatoratomernes exciterede tilstand, som normalt ikke overstiger milliardtedele af et sekund. Derfor er gløden kortvarig og forsvinder næsten efter bestrålingens ophør.

For at der kan opstå langtidsglød (phosphorescens), skal krystalfosfor også indeholde fangstcentre eller fælder for elektroner, som er ufyldte lokale niveauer (f.eks. Jl 1 og L 2), der ligger nær bunden af ledningsbåndet (fig. 329). De kan dannes af urenhedsatomer, atomer i mellemrum osv. Under påvirkning af lys exciteres aktivatoratomerne, det vil sige, at elektroner fra urenhedsniveauet bevæger sig ind i ledningsbåndet og bliver frie. Men de fanges af fælder, som et resultat af hvilke de mister deres mobilitet og følgelig deres evne til at rekombinere med aktivator-ionen. Frigivelsen af en elektron fra en fælde kræver forbrug af en vis energi, som elektronerne kan opnå, for eksempel fra termiske vibrationer af gitteret. Elektronen frigivet fra fælden går ind i ledningsbåndet og bevæger sig langs krystallen, indtil den enten fanges igen af fælden eller rekombinerer med aktivatorionen.

I sidstnævnte tilfælde fremkommer et kvantum af selvlysende stråling. Varigheden af denne proces bestemmes af opholdstiden for elektronerne i fælderne.

Fænomenet luminescens er meget udbredt i praksis, f.eks luminescensanalyse - en metode til at bestemme sammensætningen af et stof ved dets karakteristiske glød. Denne metode, der er meget følsom (ca. 10 -10 g/cm3), giver dig mulighed for at opdage tilstedeværelsen af ubetydelige urenheder og bruges i den mest delikate forskning inden for biologi, medicin, fødevareindustrien osv. Detektering af selvlysende fejl giver dig mulighed for at opdage de fineste revner på overfladen af maskindele og andre produkter (overfladen, der undersøges, er dækket med en selvlysende opløsning, som efter fjernelse forbliver i revnerne).

Fosfor bruges i lysstofrør, er det aktive medium af optiske kvantegeneratorer (se § 233) og scintillatorer (vil blive diskuteret nedenfor), bruges i elektronoptiske omformere (se § 169), bruges til at skabe nød- og camouflagebelysning og til fremstilling af lysende indikatorer for forskellige enheder.

Gløden af ​​faste stoffer forårsaget af elektronpåvirkninger. Termisk stråling og luminescens

Termisk stråling og luminescens.

Gløden af faste stoffer forårsaget af elektronpåvirkninger. Termisk stråling og luminescens