Świecenie ciał stałych spowodowane uderzeniami elektronów. Promieniowanie cieplne i luminescencja

Promieniowanie elektromagnetyczne. Zastosowanie metod Analiza spektralna.

Energia promieniowania.

Źródło światła musi zużywać energię. Światło jest fale elektromagnetyczne o długości fali 4,10-7 - 8,10-7 m. Fale elektromagnetyczne emitowane są przy przyspieszony ruch naładowane cząstki. Te naładowane cząstki są częścią atomów. Jednak bez wiedzy o budowie atomu nie można powiedzieć nic wiarygodnego na temat mechanizmu promieniowania. Jasne jest tylko, że w atomie nie ma światła, tak jak nie ma dźwięku w strunie fortepianu. Podobnie jak struna, która zaczyna brzmieć dopiero po uderzeniu młotkiem, tak atomy rodzą światło dopiero po wzbudzeniu.
Aby atom zaczął promieniować, należy przekazać mu energię. Podczas emisji atom traci otrzymaną energię, a dla ciągłego świecenia substancji konieczny jest dopływ energii do jej atomów z zewnątrz.

Promieniowanie cieplne. Najprostszym i najpowszechniejszym rodzajem promieniowania jest promieniowanie cieplne, w którym energia utracona przez atomy na wyemitowanie światła jest kompensowana energią ruch termiczny atomy lub (cząsteczki) ciała promieniującego.
W początek XIX V. stwierdzono, że powyżej (długość fali) czerwonej części widma widzialne światło znajduje się niewidzialna część widma w zakresie podczerwieni, a poniżej fioletowej części widma światła widzialnego znajduje się niewidzialna część widma w zakresie ultrafioletu.
Długości fal promieniowanie podczerwone mieszczą się w przedziale od 3,10-4 do 7,6,10-7 m. Najwięcej charakterystyczna właściwość to promieniowanie jest jego efekt termiczny. Źródłem promieni IR jest dowolne ciało. Im wyższa temperatura ciała, tym większe natężenie tego promieniowania. Im wyższa temperatura ciała, tym szybciej poruszają się atomy. Kiedy szybkie atomy (cząsteczki) zderzają się ze sobą, część ich energii kinetycznej zamienia się w energię wzbudzenia atomów, które następnie emitują światło.

Promieniowanie podczerwone bada się za pomocą termopar i bolometrów. Zasada działania noktowizorów opiera się na wykorzystaniu promieniowania podczerwonego.
Termicznym źródłem promieniowania jest Słońce, a także zwykła żarówka. Lampa jest bardzo wygodnym, ale tanim źródłem. Tylko około 12% całkowitej energii uwolnionej w lampie wstrząs elektryczny, zamienia się w energię świetlną. Termicznym źródłem światła jest płomień. Ziarna sadzy pod wpływem energii uwalnianej podczas spalania paliwa nagrzewają się i emitują światło.

Elektroluminescencja. Energia potrzebna atomom do emisji światła może pochodzić również ze źródeł nietermicznych. Podczas wyładowania w gazach pole elektryczne wywiera na elektrony dużą siłę. energia kinetyczna. Szybkie elektrony ulegają zderzeniom z atomami. Część energii kinetycznej elektronów idzie na wzbudzenie atomów. Wzbudzone atomy uwalniają energię w postaci fal świetlnych. Z tego powodu wyładowaniu w gazie towarzyszy blask. To jest elektroluminescencja.

Katodoluminescencja. Blask ciała stałe, spowodowane bombardowaniem ich elektronami, nazywa się katodoluminescencją. Dzięki katodoluminescencji ekrany lamp katodowych świecą.

Chemiluminescencja. Dla niektórych reakcje chemiczne, nadchodząca wraz z uwolnieniem energii, część tej energii jest bezpośrednio zużywana na emisję światła. Źródło światła pozostaje zimne (ma temperaturę środowisko). Zjawisko to nazywa się chemiluminescencją.

Fotoluminescencja. Światło padające na substancję jest częściowo odbijane i częściowo pochłaniane. Energia zaabsorbowanego światła w większości przypadków powoduje jedynie nagrzanie ciał. Jednak niektóre ciała same zaczynają świecić bezpośrednio pod wpływem padającego na nie promieniowania. To jest fotoluminescencja.

Światło pobudza atomy substancji (zwiększa ich energię wewnętrzną), po czym same zostają oświetlone. Na przykład farby świecące, które służą do pokrycia wielu ozdoby świąteczne, emitują światło po napromieniowaniu. Fotoluminescencja ciał stałych, a także specjalny cel- (uogólnione) luminofory, mogą występować nie tylko w świetle widzialnym, ale także w ultrafiolecie i zakresy podczerwieni. Światło emitowane podczas fotoluminescencji ma z reguły dłuższą długość fali niż światło wzbudzające blask. Można to zaobserwować eksperymentalnie. Jeżeli wiązkę światła przechodzącą przez fioletowy filtr skierujemy na naczynie z fluorescencyjnym (organicznym barwnikiem), wówczas ciecz ta zacznie świecić światłem zielono-żółtym, czyli światłem o większej długości fali niż światło fioletowe.
Zjawisko fotoluminescencji jest szeroko stosowane w świetlówkach. Fizyk radziecki S.I. Wawiłow zaproponował zasłonięcie powierzchnia wewnętrzna rura wyładowcza zawierająca substancje zdolne do jasnego świecenia pod wpływem promieniowania krótkofalowego wyładowanie gazu.

Rozkład energii w widmie.

Żadne ze źródeł nie wytwarza światła monochromatycznego, czyli o ściśle określonej długości fali. Przekonują nas o tym eksperymenty z rozkładem światła na widmo za pomocą pryzmatu, a także eksperymenty z interferencją i dyfrakcją.
Energia, którą światło niesie ze sobą ze źródła, rozkłada się w określony sposób na fale dowolnej długości tworzące wiązkę światła. Można również powiedzieć, że energia jest rozłożona na częstotliwości, ponieważ istnieje różnica między długością fali a częstotliwością. proste połączenie: ђv = ok.
Gęstość strumienia promieniowanie elektromagnetyczne lub intensywność, jest określana na podstawie energii przypisanej wszystkim częstotliwościom. Aby scharakteryzować rozkład częstotliwości promieniowania, należy wprowadzić nową wielkość: natężenie na jednostkę przedziału częstotliwości. Wielkość ta nazywana jest gęstością widmową intensywności promieniowania.

Nie można polegać na oku w ocenie rozkładu energii. Oko ma selektywną wrażliwość na światło: jego maksymalna czułość leży w żółto-zielonym obszarze widma. Najlepiej jest wykorzystać właściwość ciała doskonale czarnego, aby niemal całkowicie absorbować światło o wszystkich długościach fal. W tym przypadku energia promieniowania (czyli światła) powoduje nagrzanie ciała. Wystarczy więc zmierzyć temperaturę ciała i na jej podstawie ocenić ilość energii pochłoniętej w jednostce czasu.
Zwykły termometr jest zbyt czuły, aby można go było z powodzeniem zastosować w tego typu eksperymentach. Do pomiaru temperatury potrzebne są bardziej czułe instrumenty. Możesz wziąć termometr elektryczny, w którym element czujnikowy wykonany w formie cienkiej blachy. Płyta ta musi być pokryta cienką warstwą sadzy, która prawie całkowicie pochłania światło o dowolnej długości fali.
Płytkę termoczułą urządzenia należy umieścić w tym lub innym miejscu widma. Wszystko widmo widzialne długość l od promieni czerwonych do fioletowych odpowiada zakresowi częstotliwości od IR do UV. Szerokość odpowiada małemu odstępowi Av. Ogrzewając czarną płytkę urządzenia, możesz ocenić gęstość strumień promieniowania, mieszczący się w przedziale częstotliwości Av. Przesuwając płytkę wzdłuż widma, znajdujemy to większość energia pada na czerwoną część widma, a nie na żółto-zieloną, jak się wydaje oczom.
Na podstawie wyników tych doświadczeń można skonstruować krzywą zależności gęstości widmowej natężenia promieniowania od częstotliwości. Gęstość widmowa natężenia promieniowania zależy od temperatury płytki, a częstotliwość nie jest trudna do znalezienia, jeśli urządzenie służące do rozkładu światła jest skalibrowane, czyli jeśli wiadomo, jakiej częstotliwości odpowiada dana część widma Do.
Wykreślając na osi odciętych wartości częstotliwości odpowiadających środkom przedziałów Av oraz wzdłuż osi rzędnych gęstość widmową natężenia promieniowania, otrzymujemy liczbę punktów, przez które możemy narysować gładką krzywą. Ta krzywa daje reprezentacja wizualna na rozkład energii i widzialną część widma łuk elektryczny.

Rodzaje widm.

Skład widmowy promieniowania różne substancje bardzo zróżnicowany. Ale mimo to wszystkie widma, jak pokazuje doświadczenie, można podzielić na trzy typy, które różnią się od siebie.

Widma ciągłe.

Widmo światła słonecznego lub widmo światła łuku jest ciągłe. Oznacza to, że widmo zawiera fale o wszystkich długościach fal. W widmie nie ma przerw, a na ekranie spektrografu widać ciągły wielobarwny pasek.
Rozkład energii na częstotliwościach, czyli gęstość widmowa intensywności promieniowania, dla różne ciała różny. Na przykład ciało o bardzo czarnej powierzchni emituje fale elektromagnetyczne o wszystkich częstotliwościach, ale krzywa gęstości widmowej natężenia promieniowania w funkcji częstotliwości ma maksimum przy określonej częstotliwości. Energia promieniowania przy bardzo niskich i bardzo wysokich częstotliwościach jest znikoma. Wraz ze wzrostem temperatury maksymalna gęstość widmowa promieniowania przesuwa się w stronę fal krótszych.
Widma ciągłe (lub ciągłe), jak pokazuje doświadczenie, są podawane przez ciała znajdujące się w ciele stałym lub stan ciekły, a także gazy wysokosprężone. Aby uzyskać widmo ciągłe, ciało należy podgrzać do wysokiej temperatury.
O naturze widma ciągłego i samym fakcie jego istnienia decydują nie tylko właściwości poszczególnych atomów emitujących, ale także mocny stopień zależą od wzajemnego oddziaływania atomów.
Widmo ciągłe jest również wytwarzane przez plazmę wysokotemperaturową. Plazma emituje fale elektromagnetyczne głównie podczas zderzeń elektronów z jonami.

Widma liniowe.

Do bladego płomienia palnika gazowego dodajemy kawałek azbestu zwilżony roztworem zwykłej wody. sól kuchenna. Obserwując płomień przez spektroskop, na tle ledwo widocznego ciągłego widma płomienia będzie migać jasnożółta linia. Ta żółta linia powstaje przez parę sodu, która powstaje, gdy cząsteczki soli kuchennej rozkładają się w płomieniu. Na spektroskopie widać także palisadę kolorowych linii o różnej jasności, oddzielonych szerokimi ciemnymi paskami. Takie widma nazywane są widmami liniowymi. Obecność widma liniowego oznacza, że substancja emituje światło tylko w określonych długościach fal (dokładniej w pewnych bardzo wąskich przedziałach widmowych). Każda linia ma skończoną szerokość.
Widma liniowe występują tylko dla substancji w stanie atomowym (ale nie molekularnym). W tym przypadku światło emitowane jest przez atomy, które praktycznie ze sobą nie oddziałują. Jest to najbardziej podstawowy, podstawowy rodzaj widm. Główną właściwością widm liniowych jest to, że izolowane atomy danego pierwiastka chemicznego emitują ściśle określone, niepowtarzalne ciągi długości fal. Dwa różne elementy Nie ma tej samej sekwencji długości fal. Pasma widmowe pojawiają się na wyjściu urządzenia spektralnego w miejscu długości fali emitowanej ze źródła. Zazwyczaj do obserwacji widm liniowych wykorzystuje się blask pary substancji w płomieniu lub blask wyładowania gazu w rurze wypełnionej badanym gazem.
Wraz ze wzrostem gęstości gazu atomowego, indywidualna linie widmowe rozwiń i wreszcie bardzo duża gęstość gazu, gdy oddziaływanie atomów staje się znaczące, linie te nakładają się na siebie, tworząc widmo ciągłe.

Widma pasiaste.

Widmo pasmowe składa się z pojedynczych pasm oddzielonych ciemnymi przestrzeniami. Za pomocą bardzo dobrego aparatu spektralnego można odkryć, że każde pasmo reprezentuje zbiór duża liczba bardzo blisko siebie rozmieszczone linie. W przeciwieństwie do widm liniowych, widma pasiaste nie są tworzone przez atomy, ale przez cząsteczki, które nie są ze sobą związane lub słabo związane.
Do obserwacji widm molekularnych, a także do obserwacji widm liniowych, zwykle wykorzystuje się blask pary w płomieniu lub blask wyładowania gazowego.

Widma emisyjne i absorpcyjne.

Wszystkie substancje, których atomy są w stanie wzbudzonym, emitują fale świetlne, którego energia jest rozłożona w określony sposób na długościach fal. Absorpcja światła przez substancję zależy również od długości fali. Zatem czerwone szkło przepuszcza fale odpowiadające światłu czerwonemu (l»8·10-5 cm), a pochłania wszystkie pozostałe.
Jeśli przepuścisz białe światło przez zimny, nieemitujący gaz, na tle ciągłego widma źródła pojawią się ciemne linie. Gaz absorbuje najintensywniej światło o dokładnie tych długościach fal, które emituje po silnym podgrzaniu. Ciemne linie na tle widma ciągłego to linie absorpcyjne, które razem tworzą widmo absorpcyjne.
Wyróżnia się widma emisyjne ciągłe, liniowe i pasiaste oraz taką samą liczbę rodzajów widm absorpcyjnych.

Analiza spektralna i jej zastosowanie.

Ważne jest, aby wiedzieć, z czego zbudowane są otaczające nas ciała. Wynaleziono wiele metod określania ich składu. Jednak skład gwiazd i galaktyk można określić jedynie za pomocą analizy widmowej.

Metoda określania jakości i skład ilościowy Analizę substancji na podstawie jej widma nazywa się analizą spektralną. Analiza spektralna jest szeroko stosowana w poszukiwaniach minerałów w celu określenia składu chemicznego próbek rudy. W przemyśle analiza spektralna umożliwia kontrolę składu stopów i zanieczyszczeń wprowadzanych do metali w celu uzyskania materiałów o określonych właściwościach. Widma liniowe odgrywają szczególną rolę ważna rola, ponieważ ich budowa jest bezpośrednio związana ze strukturą atomu. Przecież te widma tworzą atomy, które nie doświadczają wpływy zewnętrzne. Dlatego zapoznając się z widmami liniowymi, robimy tym samym pierwszy krok w kierunku poznania budowy atomów. Obserwując te widma, naukowcy byli w stanie „zajrzeć” do wnętrza atomu. Tutaj optyka styka się ściśle z fizyką atomową.
Główną właściwością widm liniowych jest to, że długości fal (lub częstotliwości) widma liniowego dowolnej substancji zależą tylko od właściwości atomów tej substancji, ale są całkowicie niezależne od metody wzbudzenia luminescencji atomów. Atomy dowolnego pierwiastka chemicznego dają widmo, które nie jest podobne do widm wszystkich innych pierwiastków: są w stanie emitować ściśle konkretny zestaw długości fal.
Stanowi to podstawę analizy spektralnej – metody określania składu chemicznego substancji na podstawie jej widma.

Jak ludzkie odciski palców widma liniowe mieć wyjątkową osobowość. Wyjątkowość wzorów na skórze palca często pomaga w ujęciu przestępcy. W ten sam sposób, dzięki indywidualności widm, możliwe jest określenie skład chemiczny ciała. Za pomocą analizy spektralnej możesz wykryć tego elementu jako część złożona substancja, nawet jeśli jego masa nie przekracza 10-10. Jest to bardzo czuła metoda.
Badanie widma liniowego substancji pozwala nam określić, która pierwiastki chemiczne z czego się składa i w jakiej ilości każdy pierwiastek jest zawarty w danej substancji.
Ilościową zawartość pierwiastka w badanej próbie określa się poprzez porównanie intensywności oddzielne linie widmo tego pierwiastka z intensywnością linii innego pierwiastka chemicznego, którego zawartość ilościowa w próbce jest znana.
Ilościowa analiza składu substancji na podstawie jej widma jest trudna, ponieważ jasność linii widmowych zależy nie tylko od masy substancji, ale także od sposobu wzbudzenia blasku. Tak kiedy niskie temperatury wiele linii widmowych w ogóle się nie pojawia. Jednakże, z zastrzeżeniem standardowych warunków wzbudzenia blasku, można również przeprowadzić ilościową analizę widmową.
Zaletami analizy spektralnej są: wysoka czułość i szybkość uzyskania wyników. Za pomocą analizy spektralnej można wykryć obecność złota w próbce o masie 6,10-7 g, przy masie zaledwie 10-8 g. Określenie gatunku stali metodą analizy spektralnej można wykonać w ciągu kilkudziesięciu sekund .
Analiza spektralna pozwala określić skład chemiczny ciała niebieskie, odległych od Ziemi w odległości miliardów lat świetlnych. Skład chemiczny atmosfer planet i gwiazd, zimny gaz w przestrzeń międzygwiazdowa określone na podstawie widm absorpcyjnych.
Badając widma, naukowcom udało się określić nie tylko skład chemiczny ciał niebieskich, ale także ich temperaturę. Poprzez przesunięcie linii widmowych można określić prędkość ruchu ciała niebieskiego.

Obecnie wyznaczono widma wszystkich atomów i opracowano tablice widm. Za pomocą analizy spektralnej odkryto wiele nowych pierwiastków: rubid, cez itp. Często nadano pierwiastkom nazwy zgodne z kolorem najbardziej intensywnych linii w widmie. Rubid tworzy ciemnoczerwone, rubinowe linie. Słowo cez oznacza „błękit nieba”. Jest to kolor głównych linii widma cezu.
To właśnie za pomocą analizy widmowej poznano skład chemiczny Słońca i gwiazd. Inne metody analizy są w tym przypadku generalnie niemożliwe. Okazało się, że gwiazdy składają się z tych samych pierwiastków chemicznych, które znajdują się na Ziemi. Ciekawe, że hel został pierwotnie odkryty na Słońcu, a dopiero potem znaleziony w atmosferze ziemskiej. Nazwa tego pierwiastka nawiązuje do historii jego odkrycia: słowo hel oznacza „słoneczny”.
Ze względu na swoją prostotę i wszechstronność analiza spektralna jest główną metodą monitorowania składu substancji w metalurgii, inżynierii mechanicznej i przemyśle nuklearnym. Za pomocą analizy spektralnej określa się skład chemiczny rud i minerałów.
Skład złożonych, głównie organicznych mieszanin analizuje się na podstawie ich widm molekularnych.
Analizę widmową można przeprowadzić nie tylko na podstawie widm emisyjnych, ale także widm absorpcyjnych. To właśnie linie absorpcyjne w widmie Słońca i gwiazd umożliwiają badanie składu chemicznego tych ciał niebieskich. Jasny świecąca powierzchnia Fotosfera słoneczna zapewnia widmo ciągłe. atmosfera słoneczna selektywnie pochłania światło z fotosfery, co prowadzi do pojawienia się linii absorpcyjnych na tle ciągłego widma fotosfery.
Ale sama atmosfera Słońca emituje światło. Podczas zaćmienia słońca, Gdy dysk słoneczny jest blokowany przez Księżyc, linie widma ulegają odwróceniu. W miejscu linii absorpcyjnych w widmo słoneczne linie emisyjne migają.
W astrofizyce analiza spektralna oznacza nie tylko określenie składu chemicznego gwiazd, obłoków gazu itp., ale także określenie wielu innych rzeczy na podstawie widm Charakterystyka fizyczna te obiekty: temperatura, ciśnienie, prędkość, indukcja magnetyczna.
Oprócz astrofizyki analiza widmowa jest szeroko stosowana w kryminalistyce do badania dowodów znalezionych na miejscu zbrodni. Ponadto analiza spektralna w kryminalistyce jest bardzo pomocna w identyfikacji narzędzia zbrodni i ogólnie w ujawnieniu niektórych szczegółów przestępstwa.
Analiza spektralna znajduje jeszcze szersze zastosowanie w medycynie. Tutaj jego zastosowanie jest bardzo duże. Można go wykorzystać do diagnostyki, a także identyfikacji substancji obcych w organizmie człowieka.
Analiza spektralna wymaga specjalnych instrumentów spektralnych, które rozważymy dalej.

Urządzenia spektralne.

Dla dokładne badania Widma tak proste urządzenia jak wąska szczelina ograniczająca wiązkę światła i pryzmat nie są już wystarczające. Potrzebne są instrumenty zapewniające wyraźne widmo, czyli takie, które potrafią dobrze oddzielić fale o różnej długości i nie pozwalają na nakładanie się poszczególnych części widma. Urządzenia takie nazywane są urządzeniami spektralnymi. Najczęściej główną częścią aparatu widmowego jest pryzmat lub siatka dyfrakcyjna.
Rozważmy schemat konstrukcyjny pryzmatycznego aparatu widmowego. Badane promieniowanie wchodzi najpierw do części urządzenia zwanej kolimatorem. Kolimator to rurka, na której jednym końcu znajduje się ekran wąska szczelina, a z drugiej soczewka skupiająca. Szczelina znajduje się na ogniskowej obiektywu. Dlatego rozbieżna wiązka światła padająca na soczewkę ze szczeliny wychodzi z niej jako wiązka równoległa i pada na pryzmat.
Ponieważ różne częstotliwości korespondować różne wskaźniki załamania, wówczas z pryzmatu wyłaniają się równoległe wiązki, które nie pokrywają się pod względem kierunku. Spadają na obiektyw. Na ogniskowej tego obiektywu znajduje się ekran - matowe szkło lub klisza fotograficzna. Soczewka skupia równoległe wiązki promieni na ekranie i zamiast pojedynczego obrazu szczeliny powstaje efekt cała linia obrazy. Każda częstotliwość (wąski przedział widmowy) ma swój własny obraz. Wszystkie te obrazy razem tworzą widmo.
Opisane urządzenie nazywa się spektrografem. Jeżeli zamiast drugiej soczewki i ekranu do wizualnej obserwacji widm używany jest teleskop, wówczas urządzenie to nazywa się spektroskopem. Pryzmaty i inne części urządzeń spektralnych niekoniecznie są wykonane ze szkła. Zamiast szkła stosuje się również materiały przezroczyste, takie jak kwarc. sól kamienna itd.

>> Rodzaje promieniowania. Źródła światła

§ 80 RODZAJE PROMIENIOWANIA. ŹRÓDŁA ŚWIATŁA

Światło to strumień fal elektromagnetycznych o długości fali 4 10 -7 -8 10 -7 m. Fale elektromagnetyczne powstają w wyniku przyspieszonego ruchu naładowanych cząstek. Te naładowane cząstki są częścią atomów tworzących materię. Jednak bez wiedzy o budowie atomu nie można powiedzieć nic wiarygodnego na temat mechanizmu promieniowania. Jasne jest tylko, że w atomie nie ma światła, tak jak nie ma dźwięku w strunie fortepianu. Podobnie jak struna, która zaczyna brzmieć dopiero po uderzeniu młotkiem, tak atomy mogą „rodzić” światło dopiero po wzbudzeniu.

Aby atom zaczął promieniować, musi przekazać pewną ilość energii. Podczas emisji atom traci otrzymaną energię, a dla ciągłego świecenia substancji konieczny jest dopływ energii do jej atomów z zewnątrz.

Promieniowanie cieplne. Najprostszym i najbardziej rozpowszechnionym rodzajem promieniowania jest promieniowanie cieplne, w którym energia tracona przez atomy na emitowanie światła jest kompensowana energią ruchu termicznego atomu (lub cząsteczek) ciała emitującego. Promieniowanie cieplne to promieniowanie nagrzanych ciał. Im wyższa temperatura tematu, tym szybciej poruszają się w nim atomy. Kiedy szybkie atomy (lub cząsteczki) zderzają się ze sobą, część ich energii kinetycznej jest przeznaczana na wzbudzenie atomów, które następnie emitują światło i przechodzą w stan niewzbudzony.

Termicznymi źródłami promieniowania są na przykład Słońce i zwykła żarówka. Lampa jest bardzo wygodnym, a zarazem tanim źródłem światła. Tylko około 12% całkowitej energii uwalnianej do żarnika lampy przez prąd elektryczny jest przekształcane w energię świetlną. Wreszcie, termicznym źródłem światła jest także płomień. Ziarna sadzy (cząstki paliwa, które nie zdążyły się spalić) nagrzewają się pod wpływem energii uwalnianej podczas spalania paliwa i emitują światło.

Elektroluminescencja. Energia potrzebna atomom do emitowania światła może również pochodzić ze źródeł nietermicznych. Podczas wyładowania w gazach pole elektryczne przekazuje elektronom większą energię kinetyczną. Doświadczenie szybkich elektronów zderzenia niesprężyste z atomami. Część energii kinetycznej elektronów idzie na wzbudzenie atomów. Wzbudzone atomy uwalniają energię w postaci fal świetlnych. W rezultacie wyładowaniu w gazie towarzyszy blask. To jest elektroluminescencja.

Zorza polarna jest także przejawem elektroluminescencji. Wychwytywane są strumienie naładowanych cząstek emitowanych przez Słońce pole magnetyczne Ziemia. Ekscytują cię bieguny magnetyczne Atomy Ziemi górne warstwy atmosferze, co powoduje, że warstwy te świecą. Zjawisko elektroluminescencji wykorzystywane jest w tubach do napisów reklamowych.

Katodoluminescencja. Świecenie ciał stałych spowodowane bombardowaniem elektronów nazywa się katodoluminescencją. Dzięki katodoluminescencji ekrany lamp katodowych telewizorów świecą.

Chemiluminescencja. W niektórych reakcjach chemicznych uwalniających energię część tej energii jest bezpośrednio zużywana na emisję światła. Źródło światła pozostaje chłodne (ma temperaturę otoczenia). Zjawisko to nazywa się chemiluminescencją. Pewnie każdy z Was go zna. Latem w nocy w lesie można zobaczyć owada - świetlika. Mała zielona „latarka” „pali się” na jego ciele. Nie poparzysz sobie palców, łapiąc świetlika. Świecąca plama na jego grzbiecie ma prawie taką samą temperaturę jak otaczające powietrze. Inne żywe organizmy również mają właściwość świecenia: bakterie, owady i wiele ryb żyjących na dużych głębokościach. Kawałki gnijącego drewna często świecą w ciemności.

Fotoluminescencja.Światło padające na substancję jest częściowo odbijane i częściowo pochłaniane. Energia zaabsorbowanego światła w większości przypadków powoduje jedynie nagrzanie ciał. Jednak niektóre ciała same zaczynają świecić bezpośrednio pod wpływem padającego na nie promieniowania. To jest fotoluminescencja. Światło pobudza atomy substancji (zwiększa ich energię wewnętrzną), a następnie same się oświetlają. Na przykład farby świecące stosowane do pokrywania ozdób choinkowych emitują światło po napromieniowaniu.

Wawiłow Siergiej Iwanowicz (1891 -1951)- Radziecki fizyk, państwo i osoba publiczna, prezes Akademii Nauk ZSRR w latach 1945-1951. Podstawowy prace naukowe dedykowane optyka fizyczna i przede wszystkim fotoluminescencja. Pod jego kierownictwem opracowano technologię wytwarzania świetlówek i opracowano metodę analizy luminescencyjnej składu chemicznego substancji. Pod jego kierownictwem P. A. Czerenkow został otwarty w 1934 r. emisja światła elektrony poruszające się w ośrodku z prędkością przekraczającą prędkość światła w tym ośrodku.

Światło emitowane podczas fotoluminescencji ma z reguły dłuższą długość fali niż światło wzbudzające blask. Można to zaobserwować eksperymentalnie. Jeśli skierujemy wiązkę światła przechodzącą przez filtr światła fluorescencyjnego na naczynie z fluoresceiną (barwnikiem organicznym), wówczas ciecz ta zacznie świecić światłem zielono-żółtym, czyli światłem o większej długości fali niż światło fluorescencyjne.

Zjawisko fotoluminescencji jest szeroko stosowane w świetlówkach. Radziecki fizyk S.I. Wawiłow zaproponował pokrycie wewnętrznej powierzchni rury wyładowczej substancjami zdolnymi do jasnego świecenia pod wpływem promieniowania krótkofalowego z wyładowania gazowego.

Świetlówki są około 3-4 razy bardziej ekonomiczne niż konwencjonalne żarówki.

Spośród wymienionych głównych rodzajów promieniowania najczęstszym jest promieniowanie cieplne.

1. Jakie znasz źródła światła!
2. Jakie rodzaje promieniowania dotknęły Cię w ciągu ostatnich 24 godzin!

Myakishev G. Ya., Fizyka. Klasa 11: edukacyjna. dla edukacji ogólnej instytucje: podstawowe i profilowe. poziomy / G. Ya. Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; edytowany przez V. I. Nikolaeva, N. A. Parfentieva. - wyd. 17, poprawione. i dodatkowe - M.: Edukacja, 2008. - 399 s.: il.

Planowanie tematyczne kalendarza z fizyki, zadania i odpowiedzi dla uczniów online, kursy dla nauczycieli fizyki do pobrania

Treść lekcji notatki z lekcji ramka wspomagająca prezentację lekcji metody przyspieszania technologie interaktywne Ćwiczyć zadania i ćwiczenia warsztaty autotestowe, szkolenia, case'y, zadania domowe kontrowersyjne kwestie pytanie retoryczne od studentów Ilustracje pliki audio, wideo i multimedia fotografie, obrazy, grafiki, tabele, diagramy, humor, anegdoty, dowcipy, komiksy, przypowieści, powiedzenia, krzyżówki, cytaty Dodatki streszczenia artykuły sztuczki dla ciekawskich szopki podręczniki podstawowy i dodatkowy słownik terminów inne Udoskonalanie podręczników i lekcjipoprawianie błędów w podręczniku aktualizacja fragmentu podręcznika, elementy innowacji na lekcji, wymiana przestarzałej wiedzy na nową Tylko dla nauczycieli doskonałe lekcje planie kalendarza przez rok wytyczne programy dyskusyjne Zintegrowane Lekcje

Promieniowanie cieplne i luminescencja.

Energię wydatkowaną przez świetliste ciało na promieniowanie można uzupełnić różne źródła. Fosfor utleniający się w powietrzu świeci pod wpływem energii uwalnianej podczas przemiany chemicznej. Ten rodzaj blasku nazywany jest chemiluminescencją. Blask, który pojawia się, gdy różne rodzaje niezależne wyładowanie gazowe nazywa się elektroluminescencją. Świecenie ciał stałych spowodowane bombardowaniem elektronów nazywa się katodoluminescencją. Emisja przez ciało promieniowania o określonej długości fali, charakterystycznej dla niego λ 1 może być spowodowane napromieniowaniem tego ciała (lub uprzednim napromieniowaniem) promieniowaniem o długości fali λ 1 mniej niż λ 2. Takie procesy łączy się pod nazwą fotoluminescencja (Luminescencja to promieniowanie, które przekracza promieniowanie cieplne ciała w danej temperaturze i ma czas trwania znacznie przekraczający okres emitowanych fal. Substancje luminescencyjne nazywane są luminoforami ).

Rycina 8.1 Chemiluminescencja

Rysunek 8.2 Fotoluminescencja

Rysunek 8.3 Elektroluminescencja.

Najczęstszym jest świecenie ciał na skutek ich nagrzewania. Ten rodzaj blasku nazywany jest promieniowaniem termicznym (lub temperaturowym). Promieniowanie cieplne występuje w każdej temperaturze, natomiast w niskich temperaturach emitowane są prawie wyłącznie długie (podczerwone) fale elektromagnetyczne.

Otoczmy promieniujące ciało nieprzeniknioną powłoką o doskonale odbijającej powierzchni (ryc.).

Promieniowanie padające na ciało jest przez nie pochłaniane (częściowo lub całkowicie). W rezultacie nastąpi ciągła wymiana energii pomiędzy ciałem a promieniowaniem wypełniającym powłokę. Jeśli rozkład energii między ciałem a promieniowaniem nie zmieni się dla każdej długości fali, stan układu ciało-promieniowanie będzie w równowadze. Doświadczenie pokazuje, że jedynym rodzajem promieniowania, które może pozostawać w równowadze z ciałami promieniującymi, jest promieniowanie cieplne. Wszystkie inne rodzaje promieniowania okazują się nierównowagowe.

Zdolność promieniowania cieplnego do utrzymywania się w równowadze z ciałami promieniującymi wynika z faktu, że jego intensywność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Załóżmy, że równowaga pomiędzy ciałem a promieniowaniem (patrz rysunek) zostaje zachwiana i ciało emituje więcej energii niż pochłania.

Następnie energia wewnętrzna ciało zmniejszy się, co doprowadzi do obniżenia temperatury. To z kolei spowoduje zmniejszenie ilości energii emitowanej przez organizm. Temperatura ciała będzie spadać, aż do momentu, gdy ilość energii emitowanej przez organizm wzrośnie równa liczbie pochłonięta energia. Jeśli równowaga zostanie zakłócona w drugą stronę, czyli ilość wyemitowanej energii będzie mniejsza niż pochłonięta, temperatura ciała będzie rosła, aż do ponownego ustalenia się równowagi. Zatem brak równowagi w układzie ciało-promieniowanie powoduje pojawienie się procesów przywracających równowagę.

Inaczej sytuacja wygląda w przypadku każdego rodzaju luminescencji. Zademonstrujmy to na przykładzie chemiluminescencji. Podczas gdy zachodzi reakcja chemiczna powodująca promieniowanie, ciało promieniujące coraz bardziej oddala się od swojego pierwotnego stanu. Absorpcja promieniowania przez ciało nie zmieni kierunku reakcji, wręcz przeciwnie, doprowadzi do szybszej (w wyniku ogrzewania) reakcji w pierwotnym kierunku. Równowaga zostanie ustalona dopiero po zużyciu całego zapasu substancji reagujących i Blasku.

warunkowy procesy chemiczne, zostanie zastąpione promieniowaniem cieplnym.

Zatem ze wszystkich rodzajów promieniowania tylko promieniowanie cieplne może znajdować się w równowadze. Prawa termodynamiki dotyczą stanów i procesów równowagi. W związku z tym promieniowanie cieplne musi być zgodne z pewnymi ogólne wzorce, wynikające z zasad termodynamiki. Teraz przejdziemy do rozważenia tych wzorców.

8.2 Prawo Kirchhoffa.

Przedstawmy kilka charakterystyk promieniowania cieplnego.

Przepływ energii (dowolne częstotliwości), emitowane przez jednostkę powierzchni ciała promieniującego w jednostce czasu we wszystkich kierunkach(w kącie pełnym 4π), zwany energetyczna jasność ciała (R) [R] = W/m2 .

Promieniowanie składa się z fal o różnych częstotliwościach (ν). Oznaczmy przepływ energii emitowanej przez jednostkową powierzchnię ciała w zakresie częstotliwości od ν do ν + dν, do d R w. Następnie w danej temperaturze.

Gdzie - gęstość widmowa energetyczna jasność lub emisyjność ciała .

Doświadczenie pokazuje, że emisyjność ciała zależy od temperatury ciała (dla każdej temperatury maksymalne promieniowanie leży w jej własnym zakresie częstotliwości). Wymiar .

Znając emisyjność, możemy obliczyć energetyczna jasność:

Niech strumień energii promienistej dФ spadnie na elementarny obszar powierzchni ciała, wywołany falami elektromagnetycznymi, których częstotliwości zawierają się w przedziale dν. Część tego przepływu zostanie wchłonięta przez organizm. Bezwymiarowy

zwany zdolność wchłaniania organizmu . Dużo zależy też od temperatury.

Z definicji nie może tak być więcej niż jeden. Dla ciała całkowicie pochłaniającego promieniowanie wszystkich częstotliwości, . Takie ciało nazywa się absolutnie czarny (to idealizacja).

Ciało, dla którego i mniej niż jedność dla wszystkich częstotliwości,zwany szare ciało (to też idealizacja).

Istnieje pewien związek pomiędzy zdolnością emisyjną i absorpcyjną ciała. Przeprowadźmy mentalnie następujący eksperyment.

Niech w zamkniętej skorupie będą trzy ciała. Ciała znajdują się w próżni, dlatego wymiana energii może nastąpić jedynie poprzez promieniowanie. Doświadczenie pokazuje, że taki układ po pewnym czasie osiągnie stan równowagi termicznej (wszystkie ciała i powłoka będą miały tę samą temperaturę).

W tym stanie ciało o większej emisyjności traci więcej energii w jednostce czasu, ale w związku z tym ciało to musi mieć również większą zdolność pochłaniania:

Gustava Kirchhoffa sformułowanego w 1856 r prawo i zasugerował model nadwozia w kolorze czarnym .

Stosunek emisyjności do absorpcji nie zależy od natury ciała, jest taki sam dla wszystkich ciał(uniwersalny)funkcja częstotliwości i temperatury.

gdzie f( – funkcja uniwersalna Kirchhoffa.

Funkcja ta ma charakter uniwersalny, czyli absolutny.

Ilości i , wzięte osobno, mogą zmieniać się niezwykle silnie podczas przemieszczania się z jednego ciała do drugiego, ale ich stosunek stale dla wszystkich ciał (przy danej częstotliwości i temperaturze).

Zatem dla ciała absolutnie czarnego =1 dla niego f(tj. uniwersalna funkcja Kirchhoffa to nic innego jak emisyjność całkowicie czarnego ciała.

Ciała całkowicie czarne nie istnieją w przyrodzie. Sadza lub czerń platynowa ma absorpcję 1, ale tylko w ograniczonym zakresie częstotliwości. Jednak wnęka z małym otworem ma właściwości bardzo zbliżone do całkowicie czarnego ciała. Wiązka, która dostanie się do środka, jest koniecznie pochłaniana po wielokrotnych odbiciach i jest to wiązka o dowolnej częstotliwości.

Emisyjność takiego urządzenia (wnęki) jest bardzo bliska F(ν ,T). Tak więc, jeśli ściany wnęki są utrzymywane w temperaturze T, wówczas z dziury wychodzi promieniowanie, które pod względem składu widmowego jest bardzo zbliżone do promieniowania ciała całkowicie czarnego w tej samej temperaturze.

Rozkładając to promieniowanie na widmo, można znaleźć eksperymentalną postać funkcji F(ν ,T)(ryc. 1.3), z różne temperatury T 3 > T 2 > T 1 .

Obszar objęty krzywą określa energetyczną jasność ciała doskonale czarnego w odpowiedniej temperaturze.

Krzywe te są takie same dla wszystkich ciał.

Krzywe są podobne do funkcji rozkładu prędkości molekularnej. Tam jednak obszary objęte krzywymi są stałe, natomiast tutaj wraz ze wzrostem temperatury obszar ten znacznie się zwiększa. Sugeruje to, że kompatybilność energetyczna w dużym stopniu zależy od temperatury. Maksymalne promieniowanie (emisyjność) wraz ze wzrostem temperatury zmiany w stronę wyższych częstotliwości.

Wprowadzenie…………………………………………………………………………….2

Mechanizm promieniowania……………………………………………………………………………..3

Rozkład energii w widmie……………………………………………………….4

Rodzaje widm……………………………………………………………………………………….6

Rodzaje analiz spektralnych………………………………………………………7

Zakończenie……………………………………………………………………………..9

Literatura…………………………………………………………………………….11

Wstęp

Widmo to rozkład światła na jego części składowe, promienie o różnych kolorach.

Nazywa się metodę badania składu chemicznego różnych substancji na podstawie ich liniowych widm emisyjnych lub absorpcyjnych Analiza spektralna. Do analizy spektralnej wymagana jest znikoma ilość substancji. Szybkość i czułość tej metody sprawiły, że jest ona niezbędna zarówno w laboratoriach, jak i w astrofizyce. Ponieważ każdy pierwiastek chemiczny układu okresowego emituje charakterystyczne dla siebie liniowe widmo emisyjne i absorpcyjne, umożliwia to badanie składu chemicznego substancji. Fizycy Kirchhoff i Bunsen po raz pierwszy próbowali tego dokonać w 1859 roku, budując spektroskop.Światło wpadało do niego przez wąską szczelinę wyciętą z jednej krawędzi teleskopu (ta rurka ze szczeliną nazywana jest kolimatorem). Z kolimatora promienie padały na pryzmat przykryty pudełkiem wyłożonym od wewnątrz czarnym papierem. Pryzmat odbijał promienie wychodzące ze szczeliny. Rezultatem było widmo. Następnie zasłonili okno zasłoną i umieścili zapalony palnik na szczelinie kolimatora. Do płomienia świecy naprzemiennie wprowadzano kawałki różnych substancji i przeglądano je przez drugą teleskop do otrzymanego widma. Okazało się, że żarzące się opary każdego pierwiastka wytwarzały promienie o ściśle określonej barwie, a pryzmat załamywał te promienie w ściśle określone miejsce, w związku z czym żaden kolor nie mógł maskować drugiego. Doprowadziło to do wniosku, że odkryto radykalnie nową metodę analizy chemicznej - wykorzystując widmo substancji. Na podstawie tego odkrycia w 1861 roku Kirchhoff udowodnił obecność szeregu pierwiastków w chromosferze Słońca, kładąc podwaliny pod astrofizykę.

Mechanizm promieniowania

Źródło światła musi zużywać energię. Światło to fale elektromagnetyczne o długości fali 4*10 -7 - 8*10 -7 m. Fale elektromagnetyczne powstają w wyniku przyspieszonego ruchu naładowanych cząstek. Te naładowane cząstki są częścią atomów. Jednak bez wiedzy o budowie atomu nie można powiedzieć nic wiarygodnego na temat mechanizmu promieniowania. Jasne jest tylko, że w atomie nie ma światła, tak jak nie ma dźwięku w strunie fortepianu. Podobnie jak struna, która zaczyna brzmieć dopiero po uderzeniu młotkiem, tak atomy rodzą światło dopiero po wzbudzeniu.

Aby atom zaczął promieniować, należy przekazać mu energię. Podczas emisji atom traci otrzymaną energię, a dla ciągłego świecenia substancji konieczny jest dopływ energii do jej atomów z zewnątrz.

Promieniowanie cieplne. Najprostszym i najpowszechniejszym rodzajem promieniowania jest promieniowanie cieplne, w którym energia tracona przez atomy na emitowanie światła jest kompensowana energią ruchu termicznego atomów lub (cząsteczek) ciała emitującego. Im wyższa temperatura ciała, tym szybciej poruszają się atomy. Kiedy szybkie atomy (cząsteczki) zderzają się ze sobą, część ich energii kinetycznej zamienia się w energię wzbudzenia atomów, które następnie emitują światło.

Termicznym źródłem promieniowania jest Słońce, a także zwykła żarówka. Lampa jest bardzo wygodnym, ale tanim źródłem. Tylko około 12% całkowitej energii uwolnionej przez prąd elektryczny w lampie przekształca się w energię świetlną. Termicznym źródłem światła jest płomień. Ziarna sadzy pod wpływem energii uwalnianej podczas spalania paliwa nagrzewają się i emitują światło.

Elektroluminescencja. Energia potrzebna atomom do emisji światła może pochodzić również ze źródeł nietermicznych. Podczas wyładowania w gazach pole elektryczne przekazuje elektronom większą energię kinetyczną. Szybkie elektrony ulegają zderzeniom z atomami. Część energii kinetycznej elektronów idzie na wzbudzenie atomów. Wzbudzone atomy uwalniają energię w postaci fal świetlnych. Z tego powodu wyładowaniu w gazie towarzyszy blask. To jest elektroluminescencja.

Katodoluminescencja.Świecenie ciał stałych spowodowane bombardowaniem elektronów nazywa się katodoluminescencją. Dzięki katodoluminescencji świecą ekrany lamp katodowych telewizorów.

Fotoluminescencja.Światło padające na substancję jest częściowo odbijane i częściowo pochłaniane. Energia zaabsorbowanego światła w większości przypadków powoduje jedynie nagrzanie ciał. Jednak niektóre ciała same zaczynają świecić bezpośrednio pod wpływem padającego na nie promieniowania. To jest fotoluminescencja. Światło pobudza atomy substancji (zwiększa ich energię wewnętrzną), po czym same zostają oświetlone. Na przykład farby świecące pokrywające wiele dekoracji choinkowych emitują światło po napromieniowaniu.

Światło emitowane podczas fotoluminescencji ma z reguły dłuższą długość fali niż światło wzbudzające blask. Można to zaobserwować eksperymentalnie. Jeśli skierujesz wiązkę światła na naczynie zawierające fluoresceit (barwnik organiczny),

przechodząc przez filtr światła fioletowego, ciecz ta zaczyna świecić światłem zielono-żółtym, czyli światłem o większej długości fali niż światło fioletowe.

Wymieniono główne rodzaje promieniowania i źródła je wytwarzające. Najczęstszymi źródłami promieniowania są promieniowanie cieplne.

Rozkład energii w widmie

Na ekranie za pryzmatem refrakcyjnym kolory monochromatyczne w widmie ułożone są w następującej kolejności: czerwony (który ma najdłuższą długość fali spośród fal światła widzialnego (k = 7,6 (10-7 m i najmniejszy współczynnik załamania światła), pomarańczowy, żółty , zielony, cyjan, niebieski i fioletowy (posiadający najkrótszą długość fali w widmie widzialnym (f = 4 (10-7 m i najwyższy współczynnik załamania światła). Żadne ze źródeł nie wytwarza światła monochromatycznego, czyli światła o ściśle określonej długości fali Doświadczenia z rozkładem światła na widmo za pomocą pryzmatu oraz doświadczenia z interferencją i dyfrakcją.

Energia, którą światło niesie ze sobą ze źródła, rozkłada się w określony sposób na fale dowolnej długości tworzące wiązkę światła. Można również powiedzieć, że energia jest rozłożona na częstotliwości, ponieważ istnieje prosta zależność pomiędzy długością fali a częstotliwością: v = c.

Gęstość strumienia promieniowania elektromagnetycznego, czyli intensywność /, jest określona przez energię i W przypisaną wszystkim częstotliwościom. Aby scharakteryzować rozkład częstotliwości promieniowania, należy wprowadzić nową wielkość: natężenie na jednostkę przedziału częstotliwości. Wielkość ta nazywana jest gęstością widmową intensywności promieniowania.

Widmową gęstość strumienia promieniowania można wyznaczyć eksperymentalnie. Aby to zrobić, musisz użyć pryzmatu, aby uzyskać spektrum emisji, na przykład łuku elektrycznego, i zmierzyć gęstość strumienia promieniowania przypadającego na małe przedziały widmowe o szerokości Av.

Zwykły termometr jest zbyt czuły, aby można go było z powodzeniem zastosować w tego typu eksperymentach. Do pomiaru temperatury potrzebne są bardziej czułe instrumenty. Możesz wziąć termometr elektryczny, w którym wrażliwy element jest wykonany w postaci cienkiej metalowej płytki. Płyta ta musi być pokryta cienką warstwą sadzy, która prawie całkowicie pochłania światło o dowolnej długości fali.

Płytkę termoczułą urządzenia należy umieścić w tym lub innym miejscu widma. Całe widzialne widmo o długości l od promieni czerwonych do fioletowych odpowiada przedziałowi częstotliwości od v cr do y f. Szerokość odpowiada małemu odstępowi Av. Ogrzewając czarną płytkę urządzenia, można ocenić gęstość strumienia promieniowania na przedział częstotliwości Av. Przesuwając płytkę wzdłuż widma, odkryjemy, że większość energii znajduje się w czerwonej części widma, a nie w żółto-zielonej, jak się wydaje oczom.

Na podstawie wyników tych doświadczeń można skonstruować krzywą zależności gęstości widmowej natężenia promieniowania od częstotliwości. Gęstość widmowa natężenia promieniowania zależy od temperatury płytki, a częstotliwość nie jest trudna do znalezienia, jeśli urządzenie służące do rozkładu światła jest skalibrowane, czyli jeśli wiadomo, jakiej częstotliwości odpowiada dana część widma Do.

Wykreślając na osi odciętych wartości częstotliwości odpowiadających środkom przedziałów Av oraz wzdłuż osi rzędnych gęstość widmową natężenia promieniowania, otrzymujemy liczbę punktów, przez które możemy narysować gładką krzywą. Krzywa ta stanowi wizualną reprezentację rozkładu energii i widzialnej części widma łuku elektrycznego.

Urządzenia spektralne. Do dokładnego badania widm nie wystarczą już takie proste urządzenia jak wąska szczelina ograniczająca wiązkę światła i pryzmat. Potrzebne są instrumenty zapewniające wyraźne widmo, czyli takie, które potrafią dobrze oddzielić fale o różnej długości i nie pozwalają na nakładanie się poszczególnych części widma. Urządzenia takie nazywane są urządzeniami spektralnymi. Najczęściej główną częścią aparatu widmowego jest pryzmat lub siatka dyfrakcyjna.

Rozważmy schemat konstrukcyjny pryzmatycznego aparatu widmowego. Badane promieniowanie wchodzi najpierw do części urządzenia zwanej kolimatorem. Kolimator to tubus, na którego jednym końcu znajduje się ekran z wąską szczeliną, a na drugim soczewka zbierająca. Szczelina znajduje się na ogniskowej obiektywu. Dlatego rozbieżna wiązka światła padająca na soczewkę ze szczeliny wychodzi z niej jako wiązka równoległa i pada na pryzmat.

Ponieważ różnym częstotliwościom odpowiadają różne współczynniki załamania światła, z pryzmatu wychodzą równoległe wiązki, które nie pokrywają się pod względem kierunku. Spadają na obiektyw. Na ogniskowej tego obiektywu znajduje się ekran - matowe szkło lub

płyta fotograficzna. Soczewka skupia na ekranie równoległe wiązki promieni i zamiast jednego obrazu szczeliny uzyskuje się całą serię obrazów. Każda częstotliwość (wąski przedział widmowy) ma swój własny obraz. Wszystkie te obrazy razem tworzą widmo.

Opisane urządzenie nazywa się spektrografem. Jeżeli zamiast drugiej soczewki i ekranu do wizualnej obserwacji widm używany jest teleskop, wówczas urządzenie to nazywa się spektroskopem, jak opisano powyżej. Pryzmaty i inne części urządzeń spektralnych niekoniecznie są wykonane ze szkła. Zamiast szkła stosuje się również materiały przezroczyste, takie jak kwarc, sól kamienna itp.

Rodzaje widm

Skład widmowy promieniowania substancji jest bardzo zróżnicowany. Ale mimo to wszystkie widma, jak pokazuje doświadczenie, można podzielić na kilka typów:

Widma ciągłe. Widmo światła słonecznego lub widmo światła łuku jest ciągłe. Oznacza to, że widmo zawiera fale o wszystkich długościach fal. W widmie nie ma przerw, a na ekranie spektrografu widać ciągły wielobarwny pasek.

Rozkład energii na częstotliwościach, czyli gęstość widmowa natężenia promieniowania, jest różny dla różnych ciał. Na przykład ciało o bardzo czarnej powierzchni emituje fale elektromagnetyczne o wszystkich częstotliwościach, ale krzywa zależności gęstości widmowej natężenia promieniowania od częstotliwości ma maksimum przy określonej częstotliwości. Energia promieniowania przy bardzo niskich i bardzo wysokich częstotliwościach jest znikoma. Wraz ze wzrostem temperatury maksymalna gęstość widmowa promieniowania przesuwa się w stronę fal krótszych.

Widma ciągłe (lub ciągłe), jak pokazuje doświadczenie, dają ciała w stanie stałym lub ciekłym, a także silnie sprężone gazy. Aby uzyskać widmo ciągłe, ciało należy podgrzać do wysokiej temperatury.

O naturze widma ciągłego i samym fakcie jego istnienia decydują nie tylko właściwości poszczególnych atomów emitujących, ale w dużej mierze zależą od wzajemnego oddziaływania atomów.

Widmo ciągłe jest również wytwarzane przez plazmę wysokotemperaturową. Plazma emituje fale elektromagnetyczne głównie podczas zderzeń elektronów z jonami.

Widma liniowe. Dodajmy kawałek azbestu zwilżonego roztworem zwykłej soli kuchennej do bladego płomienia palnika gazowego.

Obserwując płomień przez spektroskop, na tle ledwo widocznego ciągłego widma płomienia będzie migać jasnożółta linia. Ta żółta linia powstaje przez parę sodu, która powstaje, gdy cząsteczki soli kuchennej rozkładają się w płomieniu. Każdy z nich to palisada kolorowych linii o różnej jasności, przedzielonych szeroką ciemnością

paski. Takie widma nazywane są widmami liniowymi. Obecność widma liniowego oznacza, że substancja emituje światło tylko w określonych długościach fal (dokładniej w pewnych bardzo wąskich przedziałach widmowych). Każda linia ma skończoną szerokość.

Widma liniowe dają wszystkie substancje w gazowym stanie atomowym (ale nie molekularnym). W tym przypadku światło emitowane jest przez atomy, które praktycznie ze sobą nie oddziałują. Jest to najbardziej podstawowy, podstawowy rodzaj widm.

Izolowane atomy emitują ściśle określone długości fal. Zazwyczaj do obserwacji widm liniowych wykorzystuje się blask pary substancji w płomieniu lub blask wyładowania gazu w rurze wypełnionej badanym gazem.

W miarę wzrostu gęstości gazu atomowego poszczególne linie widmowe rozszerzają się, aż w końcu przy bardzo dużej kompresji gazu, gdy oddziaływanie atomów staje się znaczące, linie te nakładają się na siebie, tworząc widmo ciągłe.

Widma pasiaste. Widmo pasmowe składa się z pojedynczych pasm oddzielonych ciemnymi przestrzeniami. Przy pomocy bardzo dobrej aparatury spektralnej jest to możliwe

odkryj, że każdy pasek jest zbiorem dużej liczby bardzo blisko siebie rozmieszczonych linii. W przeciwieństwie do widm liniowych, widma pasiaste nie są tworzone przez atomy, ale przez cząsteczki, które nie są ze sobą związane lub słabo związane.

Do obserwacji widm molekularnych, a także do obserwacji widm liniowych, zwykle wykorzystuje się blask pary w płomieniu lub blask wyładowania gazowego.

Widma absorpcyjne. Wszystkie substancje, których atomy znajdują się w stanie wzbudzonym, emitują fale świetlne, których energia rozkłada się w określony sposób na długości fal. Absorpcja światła przez substancję zależy również od długości fali. Zatem czerwone szkło przepuszcza fale odpowiadające światłu czerwonemu i pochłania wszystkie inne.

Jeśli przepuścisz białe światło przez zimny, nieemitujący gaz, na tle ciągłego widma źródła pojawią się ciemne linie. Gaz absorbuje najintensywniej światło o dokładnie tych długościach fal, które emituje po silnym podgrzaniu. Ciemne linie na tle widma ciągłego to linie absorpcyjne, które razem tworzą widmo absorpcyjne.

Wyróżnia się widma emisyjne ciągłe, liniowe i pasiaste oraz taką samą liczbę rodzajów widm absorpcyjnych.

Widma liniowe odgrywają szczególnie ważną rolę, ponieważ ich budowa jest bezpośrednio powiązana ze strukturą atomu. W końcu widma te tworzone są przez atomy, które nie podlegają wpływom zewnętrznym. Dlatego zapoznając się z widmami liniowymi, robimy tym samym pierwszy krok w kierunku poznania budowy atomów. Obserwując te widma, naukowcy uzyskali

możliwość „zajrzenia” do wnętrza atomu. Tutaj optyka styka się ściśle z fizyką atomową.

Rodzaje analiz spektralnych

Główną właściwością widm liniowych jest to, że długości fal (lub częstotliwości) widma liniowego dowolnej substancji zależą tylko od właściwości atomów tej substancji, ale są całkowicie niezależne od metody wzbudzenia luminescencji atomów. Atomy

każdy pierwiastek chemiczny daje widmo, które nie jest podobne do widm wszystkich innych pierwiastków: są one w stanie emitować ściśle określony zestaw długości fal.

Stanowi to podstawę analizy spektralnej – metody określania składu chemicznego substancji na podstawie jej widma. Podobnie jak ludzkie odciski palców, widma liniowe mają niepowtarzalną osobowość. Wyjątkowość wzorów na skórze palca często pomaga w ujęciu przestępcy. W ten sam sposób, ze względu na indywidualność widm, istnieje

umiejętność określenia składu chemicznego organizmu. Za pomocą analizy spektralnej można wykryć ten pierwiastek w składzie złożonej substancji. Jest to bardzo czuła metoda.

Obecnie znany następujące typy analizy spektralne - atomowa analiza widmowa (ASA)(określa skład pierwiastkowy próbki na podstawie widm emisyjnych i absorpcyjnych atomów (jonów), ASA emisji(na podstawie widm emisyjnych atomów, jonów i cząsteczek wzbudzonych różnymi źródłami promieniowania elektromagnetycznego w zakresie od promieniowania g do mikrofal), absorpcja atomowa SA(realizowane z wykorzystaniem widm absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez analizowane obiekty (atomy, cząsteczki, jony materii w różnych stanach skupienia)), fluorescencja atomowa SA, analiza widm molekularnych (MSA) (skład molekularny substancji na podstawie widm molekularnych absorpcji, luminescencji i rozpraszania światła Ramana.), jakość ISA(wystarczy stwierdzić obecność lub brak linii analitycznych oznaczanych pierwiastków. Na podstawie jasności linii podczas oględzin można w przybliżeniu oszacować zawartość poszczególnych pierwiastków w próbce), ilościowy ISA(dokonuje się poprzez porównanie natężeń dwóch linii widmowych w widmie próbki, z których jedna należy do oznaczanego pierwiastka, a druga (linia porównania) do głównego pierwiastka próbki, którego stężenie jest znane, lub pierwiastek specjalnie wprowadzony w znanym stężeniu).

MSA opiera się na jakościowym i ilościowym porównaniu zmierzonego widma badanej próbki z widmami poszczególnych substancji. W związku z tym rozróżnia się jakościowy i ilościowy ISA. W ISA używają Różne rodzaje widma molekularne, rotacyjne [widma w zakresie mikrofalowym i długofalowej podczerwieni (IR)], wibracyjne i wibracyjno-rotacyjne [widma absorpcyjne i emisyjne w obszarze średniej podczerwieni, widma Ramana, widma fluorescencji IR], elektroniczne, elektronowo-wibracyjne i elektronowo-wibracyjno-rotacyjne [widma absorpcyjne i transmisyjne w zakresie widzialnym i ultrafioletowym (UV), widma fluorescencji]. MSA umożliwia analizę małych ilości (w niektórych przypadkach ułamka). mcg i mniej) substancje w różnych stanach skupienia.

Ilościowa analiza składu substancji na podstawie jej widma jest trudna, ponieważ jasność linii widmowych zależy nie tylko od masy substancji, ale także od sposobu wzbudzenia blasku. Dlatego w niskich temperaturach wiele linii widmowych w ogóle się nie pojawia. Jednakże, z zastrzeżeniem standardowych warunków wzbudzenia blasku, można również przeprowadzić ilościową analizę widmową.

Najdokładniejszym z tych testów jest absorpcja atomowa SA. Technika AAA jest znacznie prostsza w porównaniu do innych metod, charakteryzuje się dużą dokładnością w oznaczaniu nie tylko małych, ale i dużych stężeń pierwiastków w próbkach. AAA z powodzeniem zastępuje prace pracochłonne i czasochłonne metody chemiczne analizy, nie gorsze od nich pod względem dokładności.

Wniosek

To właśnie za pomocą analizy widmowej poznano skład chemiczny Słońca i gwiazd. Inne metody analizy są w tym przypadku generalnie niemożliwe. Okazało się, że gwiazdy składają się z tych samych pierwiastków chemicznych, które znajdują się na Ziemi. Ciekawe, że hel został pierwotnie odkryty na Słońcu, a dopiero potem znaleziony w atmosferze ziemskiej. Imię tego

element przypomina historię swojego odkrycia: słowo hel oznacza w tłumaczeniu „słoneczny”.

Ze względu na swoją prostotę i wszechstronność analiza spektralna jest główną metodą monitorowania składu substancji w metalurgii, inżynierii mechanicznej i przemyśle nuklearnym. Za pomocą analizy spektralnej określa się skład chemiczny rud i minerałów.

Skład złożonych, głównie organicznych mieszanin analizuje się na podstawie ich widm molekularnych.

Analizę widmową można przeprowadzić nie tylko na podstawie widm emisyjnych, ale także widm absorpcyjnych. To właśnie linie absorpcyjne w widmie Słońca i gwiazd umożliwiają badanie składu chemicznego tych ciał niebieskich. Jasno świecąca powierzchnia Słońca – fotosfera – wytwarza widmo ciągłe. Atmosfera słoneczna selektywnie pochłania światło z fotosfery, co prowadzi do pojawienia się linii absorpcyjnych na tle ciągłego widma fotosfery.

Ale sama atmosfera Słońca emituje światło. Podczas zaćmień słońca, gdy dysk słoneczny jest zasłonięty przez Księżyc, linie widma ulegają odwróceniu. Zamiast linii absorpcyjnych w widmie słonecznym migają linie emisyjne.

W astrofizyce analiza spektralna oznacza nie tylko określenie składu chemicznego gwiazd, obłoków gazowych itp., ale także określenie wielu

inne właściwości fizyczne tych obiektów: temperatura, ciśnienie, prędkość ruchu, indukcja magnetyczna.

Metody ekspresowe ASA znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle, rolnictwie, geologii i wielu innych dziedzinach gospodarki i nauki narodowej. ASA odgrywa znaczącą rolę w technologii nuklearnej, produkcji czystych materiałów półprzewodnikowych, nadprzewodników itp. Ponad 3/4 wszystkich analiz w metalurgii wykonywana jest metodami ASA. Za pomocą mierników kwantowych przeprowadzana jest procedura operacyjna (w ciągu 2-3 min) kontrola podczas topienia w produkcji martenowskiej i konwertorowej. W geologii i eksploracja geologiczna Aby ocenić złoża, rocznie wykonuje się około 8 milionów analiz. ASA znajduje zastosowanie w ochronie środowiska i analizie gleby, w kryminalistyce i medycynie, w geologii dna morskiego oraz w badaniach składu górnych warstw atmosfery, z

separacja izotopów oraz określenie wieku i składu obiektów geologicznych, archeologicznych itp.

Zatem analizę spektralną stosuje się w prawie wszystkich najważniejszych obszarach działalności człowieka. Zatem analiza spektralna jest jednym z najważniejszych aspektów rozwoju nie tylko postępu naukowego, ale także samego standardu życia ludzkiego.

Literatura

Zaidel A.N., Podstawy analizy spektralnej, M., 1965,

Metody analizy spektralnej, M, 1962;

Chulanovsky V.M., Wprowadzenie do molekularnej analizy spektralnej, M. - L., 1951;

Rusanov A.K., Podstawy ilościowej analizy spektralnej rud i minerałów. M., 1971

Promieniowanie jest znane w przyrodzie od dawna i ma inny charakter niż wszystkie znane rodzaje promieniowania (promieniowanie cieplne, odbicie, rozpraszanie światła itp.). Promieniowanie to jest promieniowaniem luminescencyjnym, którego przykładami jest blask ciał pod wpływem światła widzialnego, ultrafioletowego i promieniowanie rentgenowskie, -promieniowanie itp. Nazywa się substancje zdolne do świecenia pod wpływem różnego rodzaju wzbudzeń luminofory.

Luminescencja- promieniowanie nierównowagowe, które w danej temperaturze jest nadmiarem w stosunku do promieniowania cieplnego ciała i ma czas trwania dłuższy niż okres drgań światła. Pierwsza część tej definicji prowadzi do wniosku, że luminescencja nie jest promieniowaniem cieplnym (patrz § 197), ponieważ każde ciało o temperaturze powyżej 0 K emituje fale elektromagnetyczne, a takie promieniowanie ma charakter termiczny. W drugiej części pokazano, że luminescencja nie jest rodzajem blasku takim jak odbicie i rozpraszanie światła, promieniowanie bremsstrahlung naładowanych cząstek itp. Okres oscylacji światła wynosi około 10 -15 s, zatem czas, według którego można sklasyfikować blask ponieważ luminescencja jest dłuższa - około 10 -10 s. Podpisać

Czas trwania świecenia pozwala odróżnić luminescencję od innych procesów nierównowagowych. Zatem w oparciu o to kryterium można było ustalić, że promieniowania Wawiłowa-Czerenkowa (patrz §189) nie można przypisać luminescencji.

W zależności od metod wzbudzenia wyróżnia się: fotoluminescencja(pod wpływem światła), Luminescencja rentgenowska(pod wpływem promieni rentgenowskich), katodoluminescencja(pod wpływem elektronów), elektroluminescencja(pod wpływem pola elektrycznego), radioluminescencja(przy wzbudzeniu promieniowaniem jądrowym, na przykład promieniowaniem , neutronami, protonami), chemiluminescencja(podczas przemian chemicznych), tryboluminescencja(podczas mielenia i kruszenia niektórych kryształów, takich jak cukier). Na podstawie czasu trwania blasku tradycyjnie rozróżnia się: fluorescencja(t10 -8 s) i fosforescencja- blask utrzymujący się przez zauważalny okres czasu po ustaniu wzbudzenia.

Pierwsze ilościowe badania luminescencji przeprowadzono ponad sto lat temu J. Stokesa, który w 1852 r. sformułował następującą zasadę: długość fali promieniowania luminescencyjnego jest zawsze większa niż długość fali światła, które je wzbudziło (ryc. 326). Z kwantowego punktu widzenia reguła Stokesa oznacza, że energia hv padającego fotonu jest częściowo wydatkowana na niektóre procesy nieoptyczne, tj.

hv=hv prześwit +E,

skąd w lum , jak wynika z sformułowanej reguły.

Główną cechą energetyczną luminescencji jest moc wyjściowa, wprowadzony przez S.I. Wawiłowa w 1924 r. - stosunek energii emitowanej przez luminofor w pełni oświetlony do energii pochłoniętej przez niego. Typowa dla luminoforów organicznych (na przykładzie roztworu fluoresceiny) zależność mocy wyjściowej  od długości fali  wzbudzającego światła pokazano na ryc. 327. Z rysunku wynika, że początkowo  wzrasta proporcjonalnie do , a następnie osiągając wartość maksymalną, szybko maleje do zera wraz z dalszym wzrostem DO(Prawo Wawiłowa). Uzysk energii dla różnych luminoforów waha się w dość szerokich granicach, a jego maksymalna wartość może sięgać około 80%.

Nazywa się ciała stałe, które są skutecznie luminescencyjnymi, sztucznie przygotowanymi kryształami z obcymi zanieczyszczeniami luminofory kryształowe. Na przykładzie luminoforów krystalicznych rozważymy mechanizmy występowania luminescencji z punktu widzenia pasmowej teorii ciał stałych. Pomiędzy pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa krystalicznego fosforu występują poziomy zanieczyszczeń aktywatora (ryc. 328). Na

Gdy atom aktywatora zaabsorbuje foton o energii hv, elektron z poziomu domieszki zostaje przeniesiony do pasma przewodnictwa i swobodnie przemieszcza się po krysztale, aż napotka jon aktywatora i ponownie się z nim połączy, przemieszczając się ponownie do poziomu domieszki. Rekombinacji towarzyszy emisja kwantu luminescencyjnego. Czas świecenia luminoforu zależy od czasu życia atomów aktywatora w stanie wzbudzonym, który zwykle nie przekracza miliardowych części sekundy. Dlatego blask jest krótkotrwały i zanika niemal po zaprzestaniu naświetlania.

Aby wystąpił długotrwały blask (fosforescencja), musi również zawierać fosfor krystaliczny centra przechwytywania lub pułapki dla elektronów, które są niewypełnionymi poziomami lokalnymi (na przykład Jl 1 i L 2), leżącymi w pobliżu dna pasma przewodnictwa (ryc. 329). Mogą je tworzyć atomy domieszek, atomy w szczelinach itp. Pod wpływem światła atomy aktywatora ulegają wzbudzeniu, czyli elektrony z poziomu domieszki przemieszczają się do pasma przewodnictwa i stają się wolne. Wpadają jednak w pułapki, w wyniku czego tracą ruchliwość, a co za tym idzie, zdolność do rekombinacji z jonem aktywatorem. Uwolnienie elektronu z pułapki wymaga wydatku określonej energii, którą elektrony mogą uzyskać np. z drgań termicznych sieci. Elektron uwolniony z pułapki wchodzi do pasma przewodnictwa i przemieszcza się wzdłuż kryształu, aż zostanie ponownie wychwycony przez pułapkę lub ponownie połączy się z jonem aktywatorem.

W tym drugim przypadku pojawia się kwant promieniowania luminescencyjnego. Czas trwania tego procesu zależy od czasu przebywania elektronów w pułapkach.

Zjawisko luminescencji jest szeroko stosowane w praktyce np analiza luminescencji - metoda określania składu substancji na podstawie jej charakterystycznego blasku. Metoda ta, będąc bardzo czułą (około 10 -10 g/cm3), pozwala na wykrycie obecności nieistotnych zanieczyszczeń i znajduje zastosowanie w najdelikatniejszych badaniach w biologii, medycynie, przemyśle spożywczym itp. Wykrywanie wad luminescencyjnych pozwala wykryć najdrobniejsze pęknięcia na powierzchni części maszyn i innych produktów (badana powierzchnia pokryta jest roztworem luminescencyjnym, który po usunięciu pozostaje w pęknięciach).

Fosfory są stosowane w lampach fluorescencyjnych, są ośrodkiem aktywnym optycznych generatorów kwantowych (patrz § 233) i scyntylatorów (zostaną omówione poniżej), są stosowane w przetwornikach elektronowo-optycznych (patrz § 169), służą do tworzenia oświetlenia awaryjnego i kamuflażowego oraz do produkcji wskaźników świetlnych różnych urządzeń.