Как происходит поглощение света атомом. Испускание и поглощение света атомами. Спектральный анализ. Применение спектрального анализа

Совокупность частот электромагнитных волн, которые присутствуют в излучении любого тела, называется спектром излучения .

Спектры бывают сплошные , линейчатые и полосатые .

Сплошные спектры дают все вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Сплошной спектр содержит волны всех частот видимого света и поэтому выглядит как цветная полоса с плавным переходом от одного цвета к другому в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый («Каждый охотник желает знать, где сидит фазан»).

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном состоянии. Изолированные атомы всех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определенных частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так и у атома данного вещества свой, характерный только для него спектр. Линейчатые спектры излучения выглядят как цветные линии, разделенные промежутками. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со своей характерной энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т. е. электрон в атоме может переходить только с одних определенных орбит на другие, вполне определенные орбиты для данного химического вещества.

Полосатые спектры создаются молекулами не связанными или слабо связанными друг с другом. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются отдельные серии линий, воспринимаемые как отдельные полосы, разделенные темными промежутками.

Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и поглощается, т.е. спектры излучения по набору излучаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные только им спектры, то существует способ определения химического состава вещества методом изучения его спектров. Этот способ называется спектральным анализом . Спектральный анализ применяется для определения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определения химического состава атмосфер планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.

Для объяснения устойчивости атомов датский физик Нильс Бор предложил отказаться от привычных классических представлений и законов. Свойства атомов получают объяснение на основе квантовых постулатов Бора :

Атом может находиться лишь в определенных стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия E . Говорят, что энергия атома квантуется . В стационарных состояниях атом не излучает энергию.

Излучение или поглощение энергии происходит только при переходе атома из одного стационарного состояния в другое. Энергия излученного или поглощенного кванта электромагнитного излучения при переходе атома из стационарного состояния с энергией E m в состояние с энергией E n равна модулю разности энергий атома в этих состояниях:

hv mn = |E m – E n |,

где m иn – номера стационарных состояний.

Стационарное состояние атома с минимальным запасом энергии называется основным состоянием , все остальные стационарные состояния называютсявозбужденными состояниями . В основном состоянии атом может находиться бесконечно долго, в возбужденном состоянии он находится 10 –7 10 –9 с.

Стационарные состояния наглядно представляются энергетической диаграммой атома (рис. 5), на которой они обозначаются горизонтальными линиями – энергетическими уровнями . Расстояния между линиями диаграммы пропорциональны разностям энергий стационарных состояний. Переход атома из стационарного состояния с меньшим запасом энергии в состояние с большим запасом энергии сопровождается поглощением энергии и обозначается стрелкой, направленной вверх; переход атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией сопровождается выделением энергии и обозначается стрелкой, направленной вниз (см. рис. 5).

50. Естественная радиоактивность и ее виды. Радиоактивные излучения и их

воздействие на живые организмы

1. Радиоактивность. Свойства альфа-, бета-, гамма-излучений

Радиоактивностью называется явление самопроизвольного превращения ядер одного химического элемента в ядра другого химического элемента. Радиоактивные превращения ядер обязательно сопровождаются испусканием радиоактивных излучений. Это явление было открыто А. Беккерелем в 1896 г. и привело к установлению факта, что атомы не только обладают сложной внутренней структурой, но и способны к самопроизвольным превращениям.

При альфа-распаде из радиоактивного ядра выбрасывается альфа-частица – ядро атома изотопа гелия . Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, ее заряд равен двум элементарным зарядам. При вылете из ядра альфа-частицы порядковый номер ядра-продуктаZ меньше исходного на две единицы, массовое числоA меньше исходного на четыре единицы. Например, при альфа-распаде ядра изотопа урана получается ядро изотопа тория (рис. 5).

При бета-распаде из атомного ядра вылетают электрон (или его античастица позитрон – элементарная частица с массой, равной массе электрона, и положительным элементарным зарядом) и электронное антинейтрино (или нейтрино). Бета-распад с испусканием электрона называетсяэлектронным бета-распадом :

При электронном бета-распаде в атомном ядре происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и незаряженной элементарной частицы – электронного антинейтрино:

В результате электронного бета-распада число протонов в ядре увеличивается на единицу, число нейтронов уменьшается на единицу, а массовое число остается неизменным. В результатепозитронного бета-распада число протонов в ядре уменьшается на единицу, число нейтронов увеличивается на единицу, а массовое число остается неизменным (рис. 7).

Атомные ядра, возникающие в результате альфа- и бета-распада, могут находиться в возбужденных состояниях. Переходы атомных ядер из возбужденных состояний в основное состояние сопровождаются испусканием гамма-квантов.

Все частицы, испускаемые при радиоактивных превращениях атомных ядер и в процессе осуществления ядерных реакций, обладают большими значениями энергии (~10 6 эВ, 1эВ = 1,6·10 –19 Дж). При таких энергиях заряженные частицы и кванты электромагнитного излучения обладают способностью ионизовать и возбуждать атомы вещества, встречающиеся на их пути. Поэтому все виды радиоактивных излучений и излучений, сопровождающих ядерные реакции, называютионизирующими излучениями . При одинаковой энергии разные виды ионизирующих излучений неодинаково взаимодействуют с веществом.

Альфа-частицы и другие атомные ядра при движении в веществе ионизуют или возбуждают почти каждый атом на своем пути. Поэтому они растрачивают всю энергию на коротком пути. Длина пробега альфа-частиц в воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет несколько сантиметров, в жидкостях или твердых телах – сотые доли миллиметра.

Бета-частицы менее эффективно взаимодействуют с атомами вещества. Поэтому их пробег в воздухе может достигать нескольких метров, а в жидкостях и твердых телах – нескольких миллиметров.

Гамма-кванты взаимодействуют с электронными оболочками атомов тремя различными способами. Эти способы – фотоэлектрический эффект (выбивание электрона), рассеяние при взаимодействии с электроном и рождение пар электрон–позитрон. Последний способ возможен только в том случае, если энергия гамма-кванта больше удвоенной энергии покоя электрона. Гамма-кванты имеют самую большую проникающую способность. Для защиты от гамма-излучения необходимы защитные стены или оболочки толщиной несколько десятков сантиметров или даже несколько метров.

Пламя излучает свет. Стекло поглощает ультрафиолетовые лучи. Обычные фразы, привычные понятия. Однако здесь термины "излучает", "поглощает" описывают только внешне, легко наблюдя, физика этих процессов непосредственно связана со строением атомов и молекул вещества.

Атом – квантовая система, его внутренняя энергия – это, в основном, энергия взаимодействия электронов с ядром; эта энергия согласно квантовым законам, может иметь только вполне определенные для кванта и состояния атомов значения. Таким образом, энергия атома не может меняться непрерывно, а только скачками – порциями, равными разности каких-либо двух разрешенных значений энергии.

Квантовая система (атом, молекула), получая из вне порцию энергии возбуждается, т.е. переходит с одного энергетического уровня на другой более высокий. В возбужденном состоянии система не может находится сколь угодно долго; в какой-то момент происходит самопроизвольный (спонтанный) обратный переход с выделением той же энергии. Квантовые переходы могут быть излучательные и безизлучательные . В первом случае энергия поглощается или испускается в виде порции электромагнитного излучения, частота которого строго определена разностью энергий тех уровней, между которыми происходит переход. В случае безызлучательных переходов система получает или отдает энергию при взаимодействиями с другими системами (атомами, молекулами, электронами) Наличие этих двух типов переходов объясняется оптикоакустический эффект Бейнгерова .

При облучении газа, находящегося в замкнутом объеме, замодулированном потоком инфракрасного излучения в газе возникают пульсации давления (оптико-акустический эффект ). Его механизм довольно прост; поглощение инфракрасного излучения происходит с возбуждением молекул газа, обратный же переход происходит безызлучательно, т.е. энергия возбуждения молекул переходит в их кинетическую энергию, что обуславливает изменение давления.

Количественные характеристики эффекта весьма чувствительные к составу газовой смеси. Применение оптико-акустического эффекта для анализа характеризуется простотой и надежностью, высокой избирательностью и широким диапазоном концентрацией компонентов.

Оптико-акустический индикатор представляет собой неселективный приемник лучистой энергии, предназначенный для анализа газов. Промодулированный лучистый поток через флюоритовое окно попадает в камеру с исследуемым газом. Под действием потока меняется давление газа на мембрану микрофона, в результате чего в цепи микрофона возникают электрические сигналы, зависящие от состава газа.

Оптико-акустический эффект используется при измерении времен жизни возбуждения молекул, в ряде работ по определению влажности и потоков излучения. Отметим, что оптико-акустический эффект возможен также в жидкостях и твердых телах.

Атомы каждого вещества имеют свою, только им присущую структуру энергетических уровней, а следовательно, и структуру импульсных переходов, которые можно зарегистрировать оптическими методами (например, фотографически). Это обстоятельство лежит в основе спектрального анализа. Так как молекулы – тоже сугубо квантовые системы, то каждое вещество (совокупность атомов или молекул) испускает и поглощает только кванты определенных энергии или электромагнитное излучение определенных длин волн). Интенсивность тех или иных спектральных линий пропорциональна числу атомов (молекул), излучающих (или поглощающих) свет. Это соотношение составляет основу количественного спектрального анализа.

Пример применения спектрального анализа:

Концентрацию известных газов в смеси измеряют по пропусканию излучения лазерного источника с определенной длиной волны. Предварительно облучают монохроматическими излучениями с различными длинами волн каждый из содержащихся в смеси газов, концентрация которых известна, и определяют коэффициент поглощения каждого газа для каждой длины волны. Затем при этих длинах волн изменяют поглощение испытуемой смеси и, используя полученные величины коэффициента поглощения, определяют концентрацию каждого газа в смеси. При измерениях с излучением, содержанием большее число длин волн, чем находится компонентов в газовой смеси, можно обнаружить наличие неизвестных газов.

Для атомов и молекул спектры излучения будут линейчатыми и полосатыми соответственно, то же и для спектров поглощения. Чтобы получить сплошной спектр, необходимо наличие плазмы, т.е. ионизированного состояния вещества. При ионизации электроны находятся вне атома или молекулы, и, следовательно могут иметь любые, непрерывно меняющиеся, энергии. При рекомендации этих электронов и ионов получается сплошной спектр, в котором присутствуют все длины волн.

Возбуждение (повышение внутренней энергии) или ионизация атомов происходят под действием различных причин; в частности, энергия для этих процессов может быть получена при нагревании тел. Чем больше температура, тем больше энергия возбуждения и тем все более короткие волны (кванты с большей энергией) излучает нагретое тело. Поэтому при постепенном нагреве сначала появляется инфракрасное излучение (длинные волны), затем красное, к которому с ростом температуры добавляется оранжевое, желтое и т.д.; в конце концов получает свет Дальнейший нагрев приводит к появлению ультрафиолетовой компоненты.

Примеры применения:

Устройство для непрерывного измерения температуры ванны жидкого металла содержит стержень из светопроницаемого материала обладающего высокой температурой и коррозионной стойкостью. Стержень проходит сквозь стенку резервуара и внутри последнего заделывается в массу свободного от щелочей окисла с высокой температурой плавления, например окиси циркония. Конец стержня, находящийся в резервуаре, служит цветовым пирометром.

Излучательные и безызлучательныепереходы в инфракр. области часто используются для процессов и охлаждения:

Стеклоформирующий инструмент, включающий металлический корпус с покрытием, отличающийся тем, что с целью поьности и улучшения качества изделий, покрытие выполнено двухслойным, причем промежуточный слой выполнен из материала, поглощающего ближнюю инфракрасную область, например из графита, а наружный слой – из материала пропускающего в эже области спектра, например на основе прозрачной поликристаллической окиси алюминия;

Способ измерений коэффициента теплопроводности твердых тел, включающий изотермическую выдержку его охлаждение при постоянной температуре окружающей среды и регистрацию изменения температуры, отличающийся тем, что с целью измеренидности частично прозрачных материалов, образец на стадии поглощения помещают в вакуумное пространство и измеряют энергию, излучаемую поверхностью образца в спектральной области сильного поглощения.

Излучательные квантовые переходы могут происходить не только спонтанно, но, и вынуждено под действием внешнего излучения, частота которого согласована с энергией данного перехода. Излучение квантов света атомами и молекулами вещества под действием внешнего электромагнитного поля (излучения) называют вынужденным или индуцированным излучением .

Существенным отличием вынужденного излучения является то, что оно есть точная копия вынуждающего излучения. Совпадают все характеристики – частота, поляризация, направление распространения и фаза. Благодаря этому вынужденное излучение при некоторых обстоятельствах может привести к усилению внешнего излучения, прошедшего через вещество, вместо его поглощения. Поэтому иначе вынужденное излучение называют отрицательным поглощением .

Для возникновения вынужденного излучения необходимо наличие в веществе возбужденных атомов, т.е. атомов, находящихся на уровнях с большей энергией. Обычно доля таких атомов мала. Для того чтобы усилить проходящее через него излучение, нужно, чтобы доля возбужденных атомов была велика, чтобы уровни с большей энергией были "заселены" частицами гуще, чем нижние уровни. Такое состояние вещества называют состоянием с инверсией населенностей .

Открытие советскими физиками Фабрикантом, Вудынским и Бутаевой явления усиления электромагнитных волн при прохождении через среду с инверсией населенностей явилось основополагающим в деле развития оптических квантовых генераторов (лазеров ) крупнейшего изобретения века.

Стержень из вещества с искусственно создаваемой инверсией населенностей, помещенный между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачно – вот принципиальная схема простейшего лазера.

Оптический резонатор из двух зеркал необходим для создания обратной связи: часть излучения возвращается в рабочее тело, индуцируя новую лавину фотонов. Излучение лазера монохроматично и когерентно в силу свойств индуцированного излучения.

Области применения лазеров обусловлены, основными характеристиками их излучения, такими как когерентность, монохромантичность, высокая концентрация энергии в луче и малая его расходимость. Помимо ставших уже традиционными областей применения лазеров, таких как обработка сверхтвердых и тугоплавких материалов, лазерная связь и лоя медицина и получение высокотемпературной плазмы – стали определяться новые интересные сферы их использования.

Чрезвычайно перспективны разработанные в последнее время лазеры на красителях, в отличии от обычных позволяющие плавно изменят частоту излучения в широком диапазоне от инфракрасной до ультрафиолетовой области спектра. Так, например, предполагается лазерным лучом разрывать или наоборот, создавать строго определенные связи.

Ведутся работы по разделению изотопов с помощью перестраиваемых лазеров. Меняя частоту лазеров, настраивают его в резонанс с определенным квантовым переходов одного из изотопов и тем самым переводят изотоп в возбужденное состояние, в котором его можно ионизировать и, с помощью электрических реакций, отделить от других изотопов.

А вот чисто изобретательское применение лазера в качестве датчика давления:

Устройство для измерения давления с частотным выходом, содержащее упругий чувствительный элемент, заполненный газом и соединенный через разделитель с измеряемой средой, и частотомер, отличающееся тем, что с целью повышения точности измерений, в нем в качестве упругого чувствительного элемента использована резонаторная ячейка газового квантового генератора.

В заключении следует отметить, что лазеры являются основным инструментом исследований в новой области физики – нелинейной оптике , которая самим своим возникновением полностью обязана мощным лазерам

Рассматривая поглощение и испускание фотонов, находящихся под непрерывным воздействием излучения, Эйнштейн нашел, что равновесное взаимодействие между веществом и излучением не может состоять только из актов передачи энергии от излучения веществу (поглощения) или обратной передачи от вещества к излучению (спонтанного испускания). Тогда не понятен постулат Планка о равнораспределении энергии в спектре равновесного излучения (инфракрасное излучение, например, Солнца, несет много энергии - потому греет, а более коротковолновое - меньше - от него мы загораем, но не согреваемся). Необходимо ввести еще одно излучение - вынужденное, или индуцированное внешним полем и когерентное с ним. Тогда Эйнштейн и не подозревал, что появится возможность усиления этого введенного им излучения и тем самым произойдет настоящая революция в оптике, связанная с открытием и созданием мазеров и лазеров.

Эйнштейн применил к модели атома Бора методы статистики и вывел формулу Планка для равновесного излучения. Так он стал разрабатывать статистическую квантовую теорию испускания и поглощения света отдельным атомом. Самое важное - введение вероятности для описания микрообъектов. Кроме вероятностей спонтанного и индуцированного излучений, он предположил и случайное направление вылета кванта из молекулы, которое нельзя предсказать.

Вероятность спонтанного испускания впервые ввел Резерфорд для уравнения радиоактивного распада (1900). Эйнштейн считал такой подход связанным с недостаточностью знаний о системе. Этому посвящены его споры с Бором, известные под названием: «Играл ли Бог в кости при сотворении мира?» Научное сообщество не воспринимало вероятностный подход и теорию световых квантов, что, как отметил академик А. Б. Миг-дал, отразилось в формулировке Нобелевского комитета, присудившего Эйнштейну премию по физике (1922): «за вклад в теоретическую физику и особенно за открытие законов фотоэффекта», но об открытии квантов электромагнитного поля, как и о теории относительности, не было ни слова. Восприятие новых идей происходило постепенно.

Используя в своей работе (1926) термин «фотон», Дж.Лыоис рассматривал квант света как неделимый атом. В 1927 г. состоялся

очередной Сольвеевский конгресс, в программе которого уже стояли вопросы об электронах и фотонах. Постепенно фотон был признан элементарной частицей с массой покоя, равной нулю, и со спином, равным единице.

Итак, атом может претерпеть переход с верхнего уровня на нижний благодаря спонтанному испусканию. Вероятность такого перехода в единицу времени не зависит от интенсивности поля излучения, а определяется только параметрами уровней тип, участвующих в переходе, и характеризуется коэффициентом . Вероятность вынужденного процесса в единицу времени пропорциональна плотности энергии поля излучения на резонансной частоте, которая соответствует двум атомным состояниям, участвующим в переходе. Скорость такого вынужденного испускания равна , где индекс, относящийся к плотности излучения, указывает, что здесь рассматривается случай термодинамического равновесия.

Атом в нижнем состоянии может поглощать энергию, переходя на более высокий уровень, и этот процесс аналогичен предыдущему. Скорость поглощения может быть записана в виде . Поскольку равновесие есть стационарное состояние, то между процессами, обусловливающими заселение и опустошение различных энергетических уровней, должно существовать детальное равновесие:

Используя распределение Больцмана для определения отношения заселенности уровней и формулу Планка, можно получить объяснение распределений при тепловом равновесии. Если уровень от выше уровня л, то число атомов на уровне от много меньше, чем на уровне п.

Вынужденное испускание должно иметь место при совпадении частоты падающего излучения с одной из возможных частот атомов данного сорта, - заметил в 1927 г. Дирак. В результате такого взаимодействия возбужденного атома с фотоном получаются два совершенно одинаковых фотона. Особенности вынужденного излучения - монохроматичность и когерентность.

В 1939 г. советский физик В. А. Фабрикант указал, что за счет неравновесных процессов можно сделать отношение числа частиц на возбужденном уровне к числу частиц на невозбужденном больше единицы. Такая среда, называемая инверсно-заселенной, вместо поглощения будет усиливать свет. В 1951 г. он вместе с Ф. А.Бугаевой и М.М.Вудынским получил авторское свидетельство на изобретение принципиально нового способа усиления электромагнитного излучения за счет вынужденного излучения. Система атомов (или молекул) с инверсной заселенностью уровней при наличии в системе обратной связи способна не только усиливать, но и генерировать когерентное излучение. Вскоре этот способ был реализован (сначала в диапазоне СВЧ).

Когерентность сантиметровых волн установил А. М. Прохоров в том же, 1951 г. при разработке молекулярных стандартов частоты и времени. В 1952 г. он вместе с Н. Г. Басовым сообщили на научной конференции о возможности создания усилителя и генератора излучений в СВЧ-ди-

апазоне на пучке молекул аммиака в качестве активной среды. Они назвали его «молекулярным генератором». С аналогичным предложением выступил и американский физик Ч.Таунс.

Первый квантовый генератор на пучке молекул аммиака был создан в 1954 г. Н.Г.Басов, А.М.Прохоров и американский физик Ч. Та-унс в одно время предложили и осуществили обратную связь, поместив активную среду в резонатор с двумя параллельными зеркалами. Он работал на длине волны 1,25 10 - 6 м. Квантовые усилители радиодиапазона стали называть мазерами, оптического - лазерами (англ. Microwave (Light) Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - усиление микроволнового (светового) излучения путем стимулированного или индуцированного излучения (рис. 5.10). Трехуровневый метод создания неравновесных квантовых систем, широко используемый в квантовой электронике, предложил в 1955 г. Н.Г.Басов. Принципы работы лазера разработал Ч.Таунс в 1958 г. вместе с А. Шав-ловым. Они использовали в дальнейшем лазеры для проверки тонких эффектов теории относительности и в приложениях к биологии и медицине. В 1969 г. Таунс открыл космический мазер.

Н. Г. Басову принадлежат перспективные идеи по разработке и созданию полупроводниковых лазеров, лазерного термоядерного синтеза, химических лазеров и т. д.

Первый лазер был создан американским физиком Т. Мейме-ном в 1960 г. на кристалле рубина. В том же году был создан лазер в электрическом разряде на смеси гелия и неона (А.Джован, В.Беннетт, Д. Элриот), который получил наибольшее распространение. В 1966 г. К. Пателр представил СO 2 - лазер с большой выходной мощностью.

В настоящее время лазеры созданы на кристаллах, газах, пучках электронов и жидкостях. Они концентрируют излучение по направлению испускания, энергии, углу расходимости и спектральному интервалу. Фактически под любую задачу можно подобрать источник излучения с нужными свойствами.

В этой статье приводятся основные понятия, необходимые для понимания того, как происходит испускание и поглощение света атомами. Также здесь описывается применение этих явлений.

Смартфон и физика

Человек, который родился позже 1990 года, свою жизнь без разнообразных электронных устройств не может представить. Смартфон не только заменяет телефон, но и дает возможность следить за курсами валют, совершать сделки, вызывать такси и даже переписываться с космонавтами на борту МКС через свои приложения. Соответственно, и воспринимаются все эти цифровые помощники как нечто само собой разумеющееся. Испускание и поглощение света атомами, благодаря которым и стала возможна эра уменьшения всевозможных устройств, таким читателям покажется лишь скучной темой на уроках физики. Но в этом разделе физики много интересного и увлекательного.

Теоретические предпосылки для открытия спектров

Есть поговорка: «Любопытство до добра не доведет». Но это выражение скорее касается того факта, что в чужие взаимоотношения лучше не вмешиваться. Если же проявить любознательность к окружающему миру, ничего плохого не будет. В конце девятнадцатого века людям стала понятна (она хорошо описана в системе уравнений Максвелла). Следующим вопросом, который захотелось разрешить ученым, стало строение вещества. Надо сразу уточнить: для науки ценно не само испускание и поглощение света атомами. Линейчатые спектры - это следствие данного явления и основание для изучения строения веществ.

Строение атома

Ученые еще в Древней Греции предположили, что мрамор состоит из некоторых неделимых кусочков, «атомов». И до конца девятнадцатого века люди думали, что это самые маленькие частицы вещества. Но опыт Резерфорда по рассеиванию тяжелых частиц на золотой фольге показал: атом тоже имеет внутреннее строение. Тяжелое ядро находится в центре и заряжено положительно, легкие отрицательные электроны вращаются вокруг него.

Парадоксы атома в рамках теории Максвелла

Эти данные вызвали к жизни несколько парадоксов: согласно уравнениям Максвелла, любая движущаяся заряженная частица испускает электромагнитное поле, следовательно, теряет энергию. Почему же тогда электроны не падают на ядро, а продолжают вращаться? Также было непонятно, почему каждый атом поглощает или испускает фотоны только определенной длины волны. Теория Бора позволила устранить эти несоответствия путем ввода орбиталей. Согласно постулатам этой теории, электроны могут находиться вокруг ядра только на этих орбиталях. Переход между двумя соседними состояниями сопровождается либо испусканием, либо поглощением кванта с определенной энергией. Испускание и поглощение света атомами происходит именно благодаря этому.

Длина волны, частота, энергия

Для более полной картины необходимо рассказать немного о фотонах. Это элементарные частицы, у которых нет массы покоя. Они существуют, только пока движутся сквозь среду. Но массой все-таки обладают: ударяясь о поверхность, они передают ей импульс, что было бы невозможно без массы. Просто свою массу они превращают в энергию, делая вещество, о которое они ударяются и которым они поглощаются, немного теплее. Теория Бора не объясняет этот факт. Свойства фотона и особенности его поведения описывает квантовая физика. Итак, фотон - одновременно и волна, и частица с массой. Фотон, и как волна, обладает следующими характеристиками: длиной (λ), частотой (ν), энергией (Е). Чем больше длина волны, тем ниже частота, и тем ниже энергия.

Спектр атома

Атомный спектр формируется в несколько этапов.

1. Электрон в атоме переходит с орбитали 2 (с более высокой энергией) на орбиталь 1 (с менее низкой энергией).
2. Высвобождается некоторое количество энергии, которое формируется как квант света (hν).
3. излучается в окружающее пространство.

Таким образом и получается линейчатый спектр атома. Почему он называется именно так, объясняет его форма: когда специальные устройства «ловят» исходящие фотоны света, на регистрирующем приборе фиксируется ряд линий. Чтобы разделить фотоны разной длины волны, используется явление дифракции: волны с различной частотой имеют разный показатель преломления, следовательно, одни отклоняются сильнее, чем другие.

и спектры

Вещества уникален для каждого вида атомов. То есть водород при испускании даст один набор линий, а золото - другой. Этот факт и является основой для применения спектрометрии. Получив спектр чего угодно, можно понять, из чего состоит вещество, как в нем располагаются атомы относительно друг друга. Этот метод позволяет определить и различные свойства материалов, что часто использует химия и физика. Поглощение и испускание света атомами - один из самых распространенных инструментов для изучения окружающего мира.

Недостатки метода спектров испускания

До данного момента говорилось скорее о том, как атомы излучают. Но обычно все электроны находятся на своих орбиталях в состоянии равновесия, у них нет причин переходить в другие состояния. Чтобы вещество что-то излучило, оно сначала должно поглотить энергию. В этом недостаток метода, который эксплуатирует поглощение и испускание света атомом. Кратко скажем, что вещество сначала нужно нагреть или осветить, прежде чем мы получим спектр. Вопросов не возникнет, если ученый изучает звезды, они и так светятся благодаря собственным внутренним процессам. Но если требуется изучить кусочек руды или пищевой продукт, то для получения спектра его фактически надо сжечь. Этот способ подходит не всегда.

Спектры поглощения

Излучение и поглощение света атомами как метод «работает» в две стороны. Можно посветить на вещество широкополосным светом (то есть таким, в котором присутствуют фотоны разных длин волн), а потом посмотреть, волны каких длин поглотились. Но подходит этот способ не всегда: обязательно, чтобы вещество было прозрачным для нужной части электромагнитной шкалы.

Качественный и количественный анализ

Стало ясно: спектры уникальны для каждого вещества. Читатель мог заключить: такой анализ используется только для того, чтобы определить, из чего сделан материал. Однако возможности спектров гораздо шире. С помощью особых методик рассмотрения и распознавания ширины и интенсивности получившихся линий можно установить количество входящих в соединение атомов. Причем показатель этот можно выражать в разных единицах:

• в процентах (например, в этом сплаве содержится 1% алюминия);
• в молях (в этой жидкости растворено 3 моля поваренной соли);
• в граммах (в данном образце присутствуют 0,2 г урана и 0,4 грамма тория).

Иногда анализ бывает смешанным: качественным и количественным одновременно. Но если раньше физики заучивали наизусть положение линий и оценивали их оттенок с помощью особых таблиц, то сейчас все это делают программы.

Применение спектров

Мы уже достаточно подробно разобрали, что такое испускание и поглощение света атомами. Спектральный анализ применяется очень широко. Нет ни одной области человеческой деятельности, где бы ни использовалось рассматриваемое нами явление. Вот некоторые из них:

1. В самом начале статьи мы говорили о смартфонах. Кремниевые полупроводниковые элементы стали такими маленькими, в том числе и благодаря исследованиям кристаллов с помощью спектрального анализа.
2. При любых происшествиях именно уникальность электронной оболочки каждого атома позволяет определить, какую пулю выпустили первой, почему сломался каркас машины или упал башенный кран, а также каким ядом отравился человек, и сколько времени он пробыл в воде.
3. Медицина используется спектральный анализ в своих целях чаще всего по отношению к жидкостям тела, но бывает, что этот метод применяется и к тканям.
4. Далекие галактики, облака космического газа, планеты у чужих звезд - все это изучают с помощью света и его разложения в спектры. Ученые узнают состав этих объектов, их скорость и процессы, которые в них происходят благодаря тому, что могут зафиксировать и проанализировать фотоны, которые они испускают или поглощают.

Электромагнитная шкала

Больше всего мы уделяем внимания видимому свету. Но на электромагнитной шкале этот отрезок очень маленький. То, что человеческий глаз не фиксирует, гораздо шире семи цветов радуги. Испускаться и поглощаться могут не только видимые фотоны (λ=380-780 нанометров), но и другие кванты. Электромагнитная шкала включает:

1. Радиоволны (λ = 100 километров) передают информацию на дальние расстояния. Из-за очень большой длины волны их энергия очень низкая. Они очень легко поглощаются.
2. Терагерцовые волны (λ = 1-0,1 миллиметров) до недавнего времени были труднодоступны. Раньше их диапазон включали в радиоволны, но сейчас этот отрезок электромагнитной шкалы выделяется в отдельный класс.
3. Инфракрасные волны (λ = 0,74-2000 микрометров) переносят тепло. Костер, лампа, Солнце излучают их в избытке.

Видимый свет мы рассмотрели, поэтому более подробно о нем писать не будем.

Ультрафиолетовые волны (λ = 10-400 нанометров) смертельны для человека в избытке, но и их недостаток вызывает Наша центральная звезда дает очень много ультрафиолета, а атмосфера Земли задерживает большую его часть.

Рентгеновские и гамма-кванты (λ < 10 нанометров) имеют общий диапазон, но различаются по происхождению. Чтобы получить их, нужно разогнать электроны или атомы до очень высоких скоростей. Лаборатории людей способны на это, но в природе такие энергии встречаются только внутри звезд или при столкновениях массивных объектов. Примером последнего процесса могут служить взрывы сверхновых, поглощение звезды черной дырой, встреча двух галактик или галактики и массивного облака газа.

Электромагнитные волны всех диапазонов, а именно их способность испускаться и поглощаться атомами, применяются в человеческой деятельности. Вне зависимости от того, что читатель избрал (или только собирается избрать) в качестве своей жизненной стези, он точно столкнется с результатами спектральных исследований. Продавец пользуется современным платежным терминалом только потому, что когда-то ученый исследовал свойства веществ и создал микрочип. Аграрий удобряет поля и собирает сейчас большие урожаи только потому, что когда-то геолог обнаружил фосфор в куске руды. Девушка носит яркие наряды только благодаря изобретению стойких химических красителей.

Но если читатель желает связать свою жизнь с миром науки, то придется изучить гораздо больше, чем основные понятия процесса излучения и поглощения квантов света в атомах.