Suur nafta ja gaasi entsüklopeedia. Valguse neeldumine (absorptsioon) aine poolt

11. klassi füüsikas (Kasjanov V.A., 2002),
ülesanne №87
peatükki " Elektromagnetilise kiirguse kvantteooria. PEAMISED SÄTTED».

soojuskiirgus

Täiesti must korpus

soojuskiirgus- kuumenenud kehade siseenergia tõttu kiirgav elektromagnetkiirgus.

Täiesti must korpus- keha, mis neelab kogu talle langeva mis tahes sagedusega kiirguse energia suvalisel temperatuuril.

Energia heleduse spektraalne tihedus on elektromagnetilise kiirguse energia, mis kiirgub ajaühikus kehapinna pindalaühiku kohta sagedusühikus. Energia heleduse spektraaltiheduse ühik J/m 2 . Kiirguskvanti energia on otseselt võrdeline kiirguse sagedusega v:

kus h = 6,6 10 -34 J s on Plancki konstant.

Footon- mikroosake, elektromagnetkiirguse kvant.

Soojuskiirguse seadused: Wieni nihkeseadus

kus λm on lainepikkus, mille juures langeb musta keha energia heleduse maksimaalne spektraaltihedus, T on musta keha temperatuur, b ≈ 3000 µm K on Wieni konstant.

Stefan-Boltzmanni seadus: Musta keha integraalne heledus on võrdeline selle absoluutse temperatuuri neljanda astmega:

kus σ = 5,67 10 -8 W / (m 2 K 4) - Stefan-Boltzmanni konstant.

fotoelektriline efekt elektronide väljapaiskumine tahketest ja vedelatest ainetest valguse toimel.

Fotoelektrilise efekti seadused

1. Küllastuse fotovool on otseselt võrdeline katoodile langeva valguse intensiivsusega.

2. Fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia on otseselt võrdeline valguse sagedusega ega sõltu selle intensiivsusest.

3. Iga aine jaoks on valguse minimaalne sagedus, mida nimetatakse fotoelektrilise efekti punaseks piiriks, millest allpool fotoelektrilist efekti on võimatu saavutada.

Einsteini võrrand fotoelektrilise efekti jaoks:

Footoni energiat kasutatakse tööfunktsiooni täitmiseks ja kineetilise energia edastamiseks kiiratavale fotoelektronile. Tööfunktsioon on minimaalne töö, mis tuleb teha elektroni eemaldamiseks metallist.

punase äärisega fotoefekt

Korpuskulaarlaine dualism - nii korpuskulaarsete kui laineliste omaduste avaldumine sama objekti käitumises. Korpuskulaarlaine dualism on mis tahes materiaalsete objektide universaalne omadus.

laineteooria kirjeldab õigesti valguse omadusi suure intensiivsusega, s.t. kui footonite arv on suur.

Kvantteooria kasutatakse valguse omaduste kirjeldamiseks madala intensiivsusega, s.o. kui footonite arv on väike.

Iga osake impulsiga p Vastus de Broglie lainepikkus on:

Mikroobjekti olek muutub mõõtmisprotsessi käigus. Osakese asukoha ja impulsi samaaegne täpne määramine on võimatu.

Heisenbergi määramatuse suhted:

1. Osakese koordinaadi määramatuse ja selle impulsi määramatuse korrutis ei ole väiksem kui Plancki konstant:

2. Osakese energia määramatuse ja selle mõõtmise aja määramatuse korrutis ei ole väiksem kui Plancki konstant:

Bohri postulaadid:

1. Stabiilses aatomis saab elektron liikuda ainult mööda spetsiaalseid statsionaarseid orbiite, ilma elektromagnetilist energiat kiirgamata

2. Valguse emissioon aatomi poolt toimub aatomi üleminekul suurema energiaga E k statsionaarsest seisundist väiksema energiaga Е n statsionaarsesse olekusse. Emiteeritud footoni energia on võrdne statsionaarsete olekute energiate vahega:

Bohri orbiidi kvantimisreegel:

Iga statsionaarse orbiidi ümbermõõdule sobib de Broglie lainepikkuste täisarv n, Vastus mis vastab elektroni liikumisele

Aatomi põhiseisund on minimaalse energia olek.

Luminestsents- aine mittetasakaaluline kiirgus.

Spektraalanalüüs- meetod aine keemilise koostise ja muude omaduste määramiseks selle spektri järgi.

Aatomite põhilised kiirgusprotsessid: valguse neeldumine, spontaanne ja stimuleeritud emissioon.

valguse neeldumine sellega kaasneb aatomi üleminek põhiolekust ergastatud olekusse.

Spontaanne emissioon- kiirgus, mis tekib aatomi spontaansel üleminekul ühest olekust teise.

stimuleeritud emissioon- aatomi kiirgus, mis tekib siis, kui see läheb välise elektromagnetilise kiirguse mõjul madalamale energiatasemele.

Laser- indutseeritud kiirguse tagajärjel võimendatud kiirgusallikas.

Energiatasemete pöördpopulatsioon- keskkonna mittetasakaalu olek, milles ergastatud olekus aatomite kontsentratsioon on suurem kui põhiolekus olevate aatomite kontsentratsioon.

Metasstabiilne seisund- aatomi ergastatud olek, milles see võib olla palju pikem kui teistes olekutes.

4. Elementaarosakesed.

1. Kvantmehaanika alused.

1.1.Klassikalise füüsika vastuolud: aatomi struktuuriomadused, aatomite joonspektrid, elektronide difraktsioon, neutronite difraktsioon [e-postiga kaitstud]

1.2. Louis de Broglie hüpotees mikroosakeste omaduste laine-osakeste duaalsusest [e-postiga kaitstud]

1.3 Heisenbergi määramatuse seos [e-postiga kaitstud]

1.4 Kvantmehaanika postulaadid. Osakeste liikumise tõenäosuslik olemus. Lainefunktsioon, selle statistiline tähendus. Mikroosakese oleku määramine [e-postiga kaitstud]

1.5 Schrödingeri võrrand. Füüsilised piirangud lainefunktsiooni kujule. Statsionaarne Schrödingeri võrrand, statsionaarsed olekud [e-postiga kaitstud]

1.6.Osake ühemõõtmelises lõpmata sügavas potentsiaalikaevus. Osakeste energia kvantifitseerimine. Tunneliefekti selgitus. Harmooniline ostsillaator [e-postiga kaitstud]

2 Aatomi füüsika.

2.1 Elektron vesinikuaatomis. Energiatasemed. Kvantarvud ja nende füüsikaline tähendus [e-postiga kaitstud]

2.2 Sterni ja Gerlachi kogemused [e-postiga kaitstud]

2.3 Elektroni ruumiline jaotus vesinikuaatomis [e-postiga kaitstud]

2.4 Elektronide spin [e-postiga kaitstud]

2.5. Mitmeelektroniline aatom. Elektronide orbiitidel jaotumise reeglid. Pauli põhimõte [e-postiga kaitstud]

2.6.Komplekssete aatomite elektronnivoode ehituse tunnused. Seos elektronide jaotuse vahel orbiitidel ja Mendelejevi perioodilisuse tabeli vahel [e-postiga kaitstud]

2.7.Aatomite elektromagnetkiirguse emissiooni elementaarne kvantteooria [e-postiga kaitstud]

2.8 Footonite spontaanne ja stimuleeritud emissioon. Kvantgeneraatori tööpõhimõte ja selle kasutamine [e-postiga kaitstud]

3 Aatomituum.

3.1 Südamiku koostis. Kerneli omadused [e-postiga kaitstud]

3.2.Südamiku mudelid: tilk, kest. tuumajõud [e-postiga kaitstud]

3.3 Tuuma sidumisenergia. massiviga [e-postiga kaitstud]

3.4 Tuumareaktsiooni kahte tüüpi. Tuumareaktsiooni energia [e-postiga kaitstud]

3.5 Radioaktiivsus. Radioaktiivse lagunemise seadus. Alfa-, beeta-, gammakiirgus [e-postiga kaitstud]

3.6 Tuuma lõhustumise ahelreaktsioon [e-postiga kaitstud]

3.7.Tuuma ahelreaktsioonide energia kasutamine. Aatompomm. Tuumareaktor [e-postiga kaitstud]

3.8.Tuumaenergeetika arendamise probleemid [e-postiga kaitstud]

3.9 Kontrollitud termotuumasünteesi reaktsioon [e-postiga kaitstud]

3.10.Radioaktiivse kiirguse omadused ja omadused [e-postiga kaitstud]

3.11.Ioniseeriva kiirguse bioloogiline mõju [e-postiga kaitstud]

4. Elementaarosakesed.

4.1.Elementaarosakeste omadused. Gravitatsiooniline, elektromagnetiline, nõrk ja tugev vastastikmõju [e-postiga kaitstud]

4.2.Elementaarosakeste klassifikatsioon [e-postiga kaitstud]

4.3 Kvarkide elementaarosakeste ehituse hüpotees [e-postiga kaitstud]

4.4. Hüpotees igat tüüpi interaktsioonide suurest ühendamisest [e-postiga kaitstud]

Bibliograafiline loetelu

2.7.Aatomite elektromagnetkiirguse emissiooni elementaarne kvantteooria [e-postiga kaitstud]

Kui aatomile antakse lisaenergiat, võib see minna ergastatud olekusse (näiteks vesiniku puhul läheb üle olekust n \u003d 1 olekutesse n = 2, 3, 4, ... vt joonis 15). Aatomite ergastamist saab algatada mitmel viisil: kokkupõrgete tõttu elementaarosakestega - löökergutus, kokkupõrgetes aatomitega - termiline ergastus ja lõpuks, kui aatomid neelavad elektromagnetkiirgust. Põhiolekust üleminekuks ergastatud aatomile peakvantarvuga n on vaja üle kanda energiat, mis on võrdne E n ja E 1 olekute energiate vahega. Kui energiat edastab pideva sagedusspektriga elektromagnetkiirgus, siis energiaga kvantid neelduvad sellest kiirgusest aatomi poolt. Kui kasutada võimalike energiate jaoks avaldist (2.3), siis saame vesinikuaatomi neeldumissageduste rea valemi, mis vastab täielikult katseandmetele

. (2.9)

Kui elektronile ülekantav energia on piisavalt suur, siis suudab elektron ületada tuuma külgetõmbejõu ja aatomist lahti murda. Seda protsessi nimetatakse aatomi ioniseerimiseks. Joonis 15 näitab, et vesinikuaatomi ioniseerimiseks vajalik minimaalne energia (üleminek n = 1n =), võrdub 13,6 eV. See väärtus ühtib hästi vesinikuaatomi ionisatsioonienergia eksperimentaalsete andmetega.

Aatom ei saa pikka aega ergastatud olekus püsida. Nagu iga füüsiline süsteem, kipub aatom hõivama madalaima energiaga olekut. Seetõttu läheb ergastatud aatom umbes 10 -8 s möödudes spontaanselt (spontaanselt) madalama energiaga olekusse, kiirgades üleminekul kiirgusenergia kvanti See protsess jätkub seni, kuni aatom on põhiolekus ( Joonis 16. Aatomi kiirguse kõigi võimalike sageduste või lainepikkuste kogumit nimetatakse emissioonispektriks (spektroskoopiga kiirgust analüüsides vastavad need spektrijoonte hulgale). Kui on määratud aatomi energiatasemete struktuur, siis saab välja arvutada ka antud aatomi võimalike kiirguste spektrid. Näiteks kasutades (2.12) vesinikuaatomi ja Plancki valemi jaoks
, võib saada üldvalemi, mis kirjeldab kõiki vesiniku emissiooni eksperimentaalseid seeriaid (1.1)-(1.3) ,

Joonis 16. Võimalikud üleminekud vesinikuaatomile.

Kui aatom läheb ühest kvantseisundist teise footoni emissiooni või neeldumisega, siis on võimalikud ainult sellised üleminekud, mille korral orbiidi kvantarv muutub ühiku l võrra. =1. Seda reeglit nimetatakse valikureegliks. Sellise valikureegli olemasolu on tingitud asjaolust, et elektromagnetkiirgus (footon) kannab või sisestab mitte ainult energiakvanti, vaid ka üsna kindla nurkimpulsi, mis muudab elektroni orbitaalkvantarvu ühe võrra. Nende tunnuste kohaselt on igal aatomil oma individuaalne kiirgusspekter ja neeldumisspekter, mis identifitseerivad selle täielikult (joonis 16).

Teadus, 1976. - 664 lk.
Lae alla(otselink) : osnovikvantovoymehaniki1976.djvu Eelmine 1 .. 13 > .. >> Järgmine
§ 5.
Kvantkontseptsioonidel põhineva kiirguse elementaarteooria lõi Einstein. Sellel on mingil määral fenomenoloogiline iseloom. Siiski võimaldab
d) Einsteini eeldused on tänapäevases kvantelektrodünaamikas täielikult põhjendatud (vt nt A. I. Akhiezer, V. B. Berestetsky, Quantum Electrodynamics, Science, 1969).
ELEMENTAARNE KIIRGUSE KVANTTEOORIA
31
kaasaegsel kvantmehaanikal põhineva kiirguse intensiivsuse ja valguse neeldumise probleemi lahendamiseks.
Kvanti seisukohalt määrab elektromagnetkiirguse emissiooni või neeldumise intensiivsuse aatomi ühest olekust teise ülemineku tõenäosus. Intensiivsuste ülesande lahendus taandatakse nende tõenäosuste arvutamisele.
Vaatleme mõne süsteemi, näiteks aatomi, kahte olekut. Ühte tähistatakse tähega /i ja teist tähega p. Olgu esimese oleku energiaks Et ja teise En. Määratluse huvides oletame, et Em > Enu, nii et olek m kuulub kõrgemale kvanttasemele Etu kui olek n, mis kuulub kvanttasemele En.
Kogemused näitavad, et süsteem võib iseenesest üle minna kõrgemast olekust m madalamasse olekusse n, kiirgades valguskvanti
E ~E
\u003d Et - En sagedusega co \u003d
millel on lisaks teatud polarisatsioon ja mis levib ruuminurga dQ sees (joonis 6). Mis tahes polarisatsiooni antud valguse levimissuunas saab esitada kahe sõltumatu polarisatsiooni 1A ja 12 summana, mis on üksteisega risti. Üleminekul Em -+¦ En saab valguskvanti kiirata kas polarisatsiooniga 1b või polarisatsiooniga 12. Polarisatsiooni märgime indeksiga a (a = 1,2). Ülemineku tõenäosus n
? __g
1 sekundi jooksul sageduskvanti co = - kiirgamisega keha sees
nurk dQ polarisatsiooniga a, tähistame tähisega
dW"r = anmadQ. (5.1)
Seda tõenäosust nimetatakse "spontaanse" (spontaanse) ülemineku tõenäosuseks. Sellise ülemineku võimalus klassikalises teoorias vastab ergastatud ostsillaatori kiirgusele.
Kui aatomit ümbritseb kiirgus, mõjutab see aatomit kahel viisil. Esiteks saab see kiirgus neelduda ja aatom läheb madalaimast olekust n kõrgeimasse m. Sellise ülemineku tõenäosust 1 sekundi jooksul tähistatakse tähisega dWa. Teiseks, kui aatom on ergastatud olekus m, siis võib väline kiirgus hõlbustada aatomi üleminekut madalaimasse olekusse n nii, et kiirguse tõenäosus suureneb mingi väärtuse dW "r võrra. Seda lisatõenäosust nimetame indutseeritud tõenäosuseks
O
Riis. 6. Kiirguse omadused.
li ja 12 on kaks sõltumatut polarisatsioonisuunda.
32
KVANTTEOORIA ALUSED
[CH. ma
(või sunnitud) üleminek. Mõlemal üleminekutüübil on klassikalises teoorias analoogia: välise kiirguse mõjul olev ostsillaator võib nii energiat neelata kui ka kiirata, olenevalt selle võnkumiste faaside ja valguslaine faasi vahekorrast.
Vastavalt öeldule on kiirguse kogutõenäosus võrdne
dWr = dW"r + dW"r.
Einsteini eelduse kohaselt on neeldumise tõenäosus dWa ja stimuleeritud emissiooni dWr tõenäosus võrdeline just sellise neeldumise ja emissiooni valguskvantide arvuga, millest me räägime. Määratleme selle arvu.
Kiirgus võib üldiselt olla mitte monokromaatiline, erineva levimissuuna ja erineva polarisatsiooniga. Kiirguse olemuse kindlaksmääramiseks võtame kasutusele suuruse pa (co, Q) dco dQ, mis annab kiirguse energiatiheduse, mille levimissuund on ruuminurga dQ piires, polarisatsioon a ja sagedus, mis jääb co piiresse, co + dco. Kuna kvanti energia on võrdne Jco-ga, on piirides co, co + dco sagedusega valguskvantide arv, mis levivad ruuminurgas dQ ja millel on polarisatsioon a, võrdne (1 cm3 kohta)
pa(a), Q) d(d dQ fid)
Lähtudes märkusest kvantide arvu proportsionaalsuse ning neeldumise ja stimuleeritud emissiooni tõenäosuse vahel, saame panna
d№e = Cpa(<0, Q)dQ, (5.2)
dw; = bnm*Pa (co, Q) dQ. (5.3)
Suurusi anma, b "nla, bnma nimetatakse Einsteini diferentsiaalkoefitsientideks. Need sõltuvad ainult valgust kiirgavate ja neelavate süsteemide tüübist ning neid saab arvutada kvantmehaanika meetoditega (vt § 88). Siiski on mõned üldised järeldused saab teha nende koefitsientide omaduste kohta ilma nende arvutusteta.
Vaatleme tingimusi, mille korral toimub tasakaal emissiooni ja neeldumise vahel. Olgu ergastatud olekus m aatomite arv n ja aatomite arv ergastatud olekus
elavad madalaimas olekus, - lõiked. Siis on üleminekute w-> n jooksul 1 sekundi jooksul kiiratud valguskvantide arv võrdne
nm(dW"r + dW;),
ja üleminekute n-> m jooksul 1 sekundi jooksul neeldunud kvantide arv on võrdne
pp dWa.
ELEMENTAARNE KIIRGUSE KVANTTEOORIA
33
Tasakaalutingimustes peaks neeldumissündmuste arv olema võrdne emissioonisündmuste arvuga, st.
nadw * \u003d nm (dW "r + dW;).
Asendades siin dW"r väärtusest (5.1) ja d\V„, dW"r väärtusest (5.2) ja (5.3), leiame pärast dQ võrra vähendamist:

Valguse neeldumine (absorptsioon) aine poolt. Boogeri seadus. Valguse emissiooni ja neeldumise elementaarne kvantteooria. Spontaansed ja sunnitud üleminekud. Einsteini koefitsiendid. Valguse võimenduse seisund

Valguse emissiooni ja neeldumise elementaarne kvantteooria. Valguse võimenduse seisund Ainet läbiva valguslaine elektromagnetvälja toimel tekivad keskkonna elektronide võnked, mis on põhjuseks kiirguse võnkumiste ergastamisele kuluva kiirgusenergia vähenemisele. elektronid. Osaliselt täiendatakse seda energiat elektronide sekundaarlainete emissiooni tulemusena, osaliselt saab seda muundada teist tüüpi energiaks. Tõepoolest, Bouguer tegi eksperimentaalselt kindlaks ja seejärel teoreetiliselt tõestas, et intensiivsus ...

59. Imendumine (absorptsioon) kerge aine. Boogeri seadus. Valguse emissiooni ja neeldumise elementaarne kvantteooria. Spontaansed ja sunnitud üleminekud. Einsteini koefitsiendid. Valguse võimenduse seisund

Ainet läbiva valguslaine elektromagnetvälja toimel tekivad keskkonna elektronide võnked, mis on põhjuseks elektronide võnkumiste ergastamisele kuluva kiirgusenergia vähenemisele. See energia täieneb osaliselt elektronide sekundaarsete lainete emissiooni tulemusena ja osaliselt saab seda muundada muudeks energialiikideks. Kui paralleelne valguskiir (tasapinnaline laine) langeb aine pinnale intensiivsusega ma , siis need protsessid põhjustavad intensiivsuse vähenemist ma kui laine tungib läbi materjali. Tõepoolest, Bouguerre eksperimentaalselt tuvastas ja seejärel teoreetiliselt tõestas, et kiirguse intensiivsus väheneb vastavalt seadusele.(Bouguerre'i seadus):

, (1)

kus on ainesse siseneva kiirguse intensiivsus, d on kihi paksus, on neeldumistegur olenevalt aine tüübist ja lainepikkusest. Neeldumiskoefitsiendi väljendame Bougueri seadusest:

. (2)

Selle koefitsiendi arvväärtus vastab kihi paksusele, mille läbimisel tasapinnalise laine intensiivsus väheneb e = 2,72 korda. Mõõtes eksperimentaalselt intensiivsuse väärtusi Mina 1 ja mina 2 , mis vastab sama algintensiivsusega valguskiirte läbimisele läbi paksusega ainekihtide ja vastavalt on võimalik määrata seosest neeldumisteguri väärtus.

. (3)

Neeldumisteguri sõltuvus lainepikkusest esitatakse tavaliselt tabelite või graafikute kujul (värvifiltrite passide komplekt). Näide on joonisel 1.

Neil on eriti keerukas välimusmetalliaurude neeldumisspektrid madalal rõhul, kui aatomeid võib praktiliselt pidada üksteisega mittetoimivateks. Selliste aurude neeldumistegur on väga väike (nullilähedane) ja ainult väga kitsastes spektrivahemikes (mitu tuhandikku nanomeetri laiust) leitakse neeldumisspektrites teravad maksimumid (joonis 2).

Märgitud aatomite terava neeldumise piirkonnad vastavad aatomite sees olevate elektronide loomuliku vibratsiooni sagedustele. Kui me räägime molekulide neeldumisspektritest, siis registreeritakse ka molekulis olevate aatomite loomulike vibratsioonide sagedustele vastavad neeldumisribad. Kuna aatomite mass on palju suurem kui elektroni mass, nihkuvad need neeldumisribad spektri infrapunapiirkonda.

Tahkete ainete ja vedelike neeldumisspektreid iseloomustavad reeglina laiad neeldumisribad. Polüaatomiliste gaaside neeldumisspektrites registreeritakse laiad neeldumisribad, samas kui üheaatomiliste gaaside spektreid iseloomustavad teravad neeldumisjooned. Selline erinevus ühe- ja mitmeaatomiliste gaaside spektrites viitab sellele, et spektriribade laienemise põhjuseks on aatomite omavaheline interaktsioon.

Bougueri seadus on täidetudlaias valguse intensiivsuse vahemikus (nagu S.I. Vavilovi määras, intensiivsuse muutusega 10 20 korda), mille puhul neeldumisindeks ei sõltu ei intensiivsusest ega kihi paksusest.

Ainete puhul, mille ergastatud olekus on pikk eluiga piisavalt suure valgustugevuse juures, neeldumistegur väheneb, kuna märkimisväärne osa molekulidest on ergastatud olekus. Sellistel tingimustelBougueri seadust ei täideta.

Arvestades küsimust valguse neeldumisest keskkonnas, mille tihedus ei ole kõikjal sama, väitis Bouguer, et "valgus saab läbi viia võrdsed muutused ainult siis, kui see kohtab võrdse arvu osakesi, mis on võimelised kiiri edasi lükkama või hajutama", ja et seetõttu. , "mitte paksused" on imendumisel olulised. , vaid nendes paksustes sisalduva aine massid. Sellel teisel Bougueri seadusel on suur praktiline tähtsus valguse neeldumise uurimisel ainete lahustes läbipaistvates (praktiliselt mitteabsorbeerivates) lahustites. Selliste lahuste neeldumistegur on võrdeline neelduvate molekulide arvuga valguslaine tee pikkuse ühiku kohta, see tähendab lahuse kontsentratsiooniga koos:

kus A on proportsionaalsuskoefitsient, mis sõltub aine tüübist ja ei sõltu kontsentratsioonist. Pärast selle suhte arvessevõtmist on Bougueri seadus järgmine:

Koefitsient Sõltumatuse väide AGA aine kontsentratsioonist ja selle püsivusest nimetatakse sageli Beer'i (või Beer'i) seaduseks. Selle väite füüsikaline tähendus seisneb selles, et molekulide võime kiirgust neelata ei sõltu ümbritsevatest molekulidest. Siiski on sellel seadusel arvukalt erandeid, mis on seega pigem reegel kui seadus. Koguse väärtus AGA varieerub tihedalt asetsevate molekulide puhul; See sõltub ka lahusti tüübist. Kui üldistatud Bouguer’ seadusest kõrvalekaldeid pole, siis on seda mugav kasutada lahuste kontsentratsiooni määramiseks.

Ainete neeldumisspektreid kasutatakse spektraalanalüüsiks, st komplekssegude koostise määramiseks (kvalitatiivne ja kvantitatiivne analüüs).

Kiirguse neeldumist aine poolt selgitatakse kvantmõistete alusel. Aatomisüsteemi kvantüleminekud ühest statsionaarsest olekust teise on tingitud energia vastuvõtmisest või ülekandmisest selle süsteemi poolt teistele objektidele või selle kiirgusest aatomit ümbritsevasse ruumi. Üleminekud, mille käigus aatomisüsteem neelab, kiirgab või hajubelektromagnetiline kiirgus, nimetatakse radiatiivseks (või kiirguslikuks). Iga kiirgusüleminek energiatasemete vahel ja spektris vastab spektrijoonele, mida iseloomustab aatomisüsteemi poolt emiteeritud (emissioonispektrite jaoks), neeldunud (neeldumisspektrite jaoks) või hajutatud (hajumisspektrite jaoks) kiirguse sagedus ja teatud energiaomadused. .Üleminekuid, mille käigus toimub antud aatomisüsteemi otsene energiavahetus teiste aatomisüsteemidega (kokkupõrked, keemilised reaktsioonid jne), nimetatakse nn.mittekiirgus(või mittekiirgusega).

Energiataseme peamised omadused on:

degeneratsiooni aste (kordsus) või statistiline kaalon erinevate statsionaarsete olekute (olekufunktsioonide) arv, millele energia vastab;

– rahvaarv on energiat omavate teatud tüüpi osakeste arv ruumalaühiku kohta;

põnevil olek eluigaon osakese keskmine kestus energiaga olekus.

Joone (triibu) spektraalasend, s.o. liini sagedust saab määrata rakendadesBohri sagedusreegel

. (4)

Kvantüleminekuid iseloomustavad Einsteini koefitsiendid, mille füüsilist tähendust selgitatakse hiljem.

Kõige lihtsama - kahetasandilise - süsteemi näitel analüüsime,millised aatomisüsteemi sisemised omadused määravad spektrijoone intensiivsuse. Olgu ja on isoleeritud aatomisüsteemi (aatomi või molekuli) kaks energiataset, mille populatsiooni tähistatakse vastavalt N 1 ja N 2 (joonis 3).

Aja jooksul tekkivate osakeste arv mahuühiku kohta dt ergastuse statsionaarses režiimis kaasnevad üleminekudüle võtma elektromagnetilise kiirguse energia, määratleme vastavalt valemile:

, (5)

kus on välise (ergastava) kiirguse ruumalaspektraalne energiatihedus, mille sagedus on .

Sel juhul viiakse osakesed ergastatud olekusse energiaga aine mahuühikus,energia neeldub

. (6)

Avaldisest (5 ) on näha, et

(7)

on ülemineku tõenäosus ajaühiku kohta, millega kaasneb neeldumine, osakese kohta. Seega Einsteini koefitsientomab tõenäosuslikku (statistilist) tähendust.

Elektromagnetilise kiirguse emissiooniprotsess võib toimuda kahe mehhanismi kaudu: spontaanselt (sisemistel põhjustel) ja sunnitud (kui puutuda kokku põneva kiirgusega).

Aja jooksul tekkivate osakeste koguarv dt spontaansed üleminekud, on otseselt võrdeline süsteemi algseisundile vastava taseme populatsiooniga:

. (8 )

energiat elektromagnetiline kiirgus, eraldub spontaanseltaatomid (molekulid), mis onaine mahuühikus, ajal, võib esitada järgmiselt:

. (9 )

Valemist (8 ) väljendame väärtust:

(10 )

Einsteini koefitsient tähendusrikas ülemineku tõenäosus, millega kaasneb elektromagnetkiirguse spontaanne emissioon ühe osakese võrra ajaühiku kohta.

Stimuleeritud emissioon toimub välise (sunnitava) kiirguse toimel. vaadeldavas tasemesüsteemis vahetultSunnitud kiirgusüleminekute arv aja jooksul dt proportsionaalselt rahvaarvuga N 2 süsteemi algolekule vastav tase ( E 2 ) ja välise (ergava) kiirguse spektraalenergia tihedus u 12:

. (11 )

Stimuleeritud kiirguse energia, mis kiirgub aine mahuühikus aja jooksul dt , kirjutame selle kujul:

. (12)

Valemist (11) on kogust lihtne välja võtta

(13)

ühe osakese poolt ajaühikus toimuva ülemineku tõenäosus, millega kaasneb stimuleeritud emissioon. Siin - Einsteini koefitsient stimuleeritud kiirgusüleminekute jaoks.

H ja ülaltoodud ideede põhjalseosed Einsteini koefitsientide vahel, vaadeldavate üleminekute jaoks kujul:

, (14)

kus ja on energiatasemete statistilised kaalud ja.

Seega aatomisüsteemi siseparameetrid, mis määravad aines neeldunud või emiteeritud elektromagnetkiirguse energia ja sellest tulenevalt spektrijoonte intensiivsuse salvestatud spektris, onülemineku tõenäosused ajaühiku kohta, see tähendab Einsteini koefitsiente.

Põneva kiirguse mahutiheduse suhteliselt madalate väärtuste korral määrab kogu emissiooni tõenäosus peaaegu täielikult energiaemissiooniga spontaansete üleminekute tõenäosuse. Suure kiirgusvõimsuse korral võib stimuleeritud emissiooni tõenäosus muutuda palju suuremaks kui spontaanse kiirguse tõenäosus. Selline olukord leiab aset genereeriva laseri aktiivkeskkonnas, samuti kui laserit kasutatakse põneva kiirguse allikana.

Seega , optilise kiirguse võimendamiseks saab kasutada ainult ühte tüüpi elementaarseid protsesse, nimelt: kiirgusega stimuleeritud üleminekud. Vastavalt avaldisele (13) saab selliste üleminekute tõenäosust suurendada, suurendades "sunnitava" kiirguse spektraalset energiatihedust. Teisel pool, c teatud tõenäosusega sõltub ülemise energiataseme populatsioonist ka sunnitud üleminekute arv ajaühikus, mis määrab stimuleeritud emissiooni võimsuse N2.

Energiabilanssi aine ruumalaühiku kohta, mis eraldub ajaühikus sundüleminekute tulemusena ja neeldub sundsiirde tulemusel aatomi ergastamisega, võib esitada järgmiselt:

(16)

Arvestades, et g 1 B 12 = g 2 B 21 , saab valemi (16) ümber kirjutada järgmiselt:

. (17)

Looduslikes tingimustes vastavalt Maxwell-Boltzmanni jaotusele alati ja∆W< 0, st. kiirguse levimisega keskkonnas kaasneb tingimata selle intensiivsuse vähenemine.

Selleks, et keskkond võimendaks sellele langevat kiirgust (∆W > 0), on vajalik, et tingimusvõi (degeneratsiooni puudumisel) N2 > N1. Teisisõnu, populatsioonide tasakaalujaotus tuleb lõhkuda selliselt, et suurema energiaga osariigid oleksid rohkem asustatud kui madalama energiaga riigid.

Mittetasakaalulises olekus olevat keskkonda, kus populatsiooni jaotus vähemalt kahel energiatasemel on Maxwell-Boltzmanni jaotuse suhtes inverteeritud (inverteeritud), nimetatakse. vastupidine. Sellistel keskkondadel onnegatiivne neeldumistegurα (vt (1) – Bougueri seadus), st. kui kiirgus neid läbib, suureneb selle intensiivsus.Selliseid keskkondi nimetatakse aktiivne. Valguse võimendamiseks aktiivses keskkonnas peab ajaühikus eralduv energia ületama kogu energiakadusid, mis tulenevad kiirguse neeldumisest keskkonnas ja kasulikest kadudest, st kiirguse eemaldamisest keskkonnast kiirguse levimise suunas.(näiteks kasulikud kaod on laserkiirguse energia).

Joonis 2 – Tingimusliku fragmendi fragment

neeldumisspekter

haruldane gaas

EMBED võrrand.3

Joonis 1 - Koefitsiendi spektraalne sõltuvus näidisest

ülevõtmised

Joonis 3 – osakeste kiirgusüleminekute variandid

kõige lihtsamas kahetasandilises süsteemis

hv ik

E 2

E 1

KELL 12

A 21

KELL 21

Nagu ka muud tööd, mis võivad teile huvi pakkuda
31169.		Loetlege veenva sõnumi omadused	21,5 KB
	Samuti võib rõõmuemotsioon tekitada positiivseid assotsiatsioone sõnumi teemaga, nalju, naljakaid lugusid. Kassis olevad sõnumid jäävad kõige paremini meelde traagiliste olukordade puhul. Hirmuemotsiooni kasutamise puhul võib tekkida bumerangi efekt: kassi tagajärjeks võib olla sõnumi unustamine.
31170.		Mis on kognitiivne dissonants	23KB
	Praktikas ei juhtu ei üht ega teist, protsess hääbub, jõudmata isegi 95 elanikkonna peas ebamugavustunde faasi, täiesti vastuolulised faktid ja ideed nende kohta eksisteerivad suurepäraselt ja mitte midagi. Võimalik on ka sellist ebamugavust tekitava teabe tingimusteta refleksi tagasilükkamise variant.
31175.		INGLISE AJALEHTIDE KEELELISED OMADUSED	20,52KB
	Ajalehe keelel on muidugi teatud eripära, mis eristab seda ilukirjanduse või teaduskirjanduse keelest, kõnekeelest. See on keeleliste väljendusvahendite pikaajalise valiku tagajärg.
31176.		Millised on massikommunikatsiooni tunnused	21,5 KB
	Sõnumil 2 on mitmeid svv: sotsiaalne tähtsus sotsiaalne tähendus moekas igavene teemad kiire unustamine perioodilisus regulaarne naasmine teatud teemade juurde juurdepääsetavus meelelahutuslik emotsionaalsus on mängulise iseloomuga kommertsialiseerimine. : tõhusus emotsionaalsus taustal kasutamise oskus. : tõhusus emotsionaalsus nakkav kohaloleku mõju. emotsionaalsus on nõrk efektiivsus.

Ainet läbiva valguslaine elektromagnetvälja toimel tekivad keskkonna elektronide võnked, mis on põhjuseks elektronide võnkumiste ergastamisele kuluva kiirgusenergia vähenemisele. See energia täieneb osaliselt elektronide sekundaarsete lainete emissiooni tulemusena ja osaliselt saab seda muundada muudeks energialiikideks. Kui paralleelne valguskiir (tasapinnaline laine) langeb aine pinnale intensiivsusega ma, siis need protsessid põhjustavad intensiivsuse vähenemist ma kui laine tungib läbi materjali. Tõepoolest, Bouguer tegi eksperimentaalselt kindlaks ja seejärel teoreetiliselt tõestas, et kiirguse intensiivsus väheneb vastavalt seadusele (Bougueri seadus):

kus on ainesse siseneva kiirguse intensiivsus, d on kihi paksus, on neeldumistegur olenevalt aine tüübist ja lainepikkusest. Neeldumiskoefitsiendi väljendame Bougueri seadusest:

Selle koefitsiendi arvväärtus vastab kihi paksusele, mille läbimisel tasapinnalise laine intensiivsus väheneb e= 2,72 korda. Mõõtes eksperimentaalselt intensiivsuse väärtusi ma 1 ja ma 2, mis vastab sama algintensiivsusega valguskiirte läbimisele läbi paksusega ainekihtide ja vastavalt on võimalik määrata seosest neeldumisteguri väärtus.

Neeldumisteguri sõltuvus lainepikkusest esitatakse tavaliselt tabelite või graafikute kujul (värvifiltrite passide komplekt). Näide on joonisel 1.

Madala rõhu all olevate metalliaurude neeldumisspektrid on eriti keerulise kujuga, mil aatomid praktiliselt ei interakteeru üksteisega. Selliste aurude neeldumistegur on väga väike (nullilähedane) ja ainult väga kitsastes spektrivahemikes (mitu tuhandikku nanomeetri laiust) leitakse neeldumisspektrites teravad maksimumid (joonis 2).

Bougueri seadus on täidetud paljudes valgustugevuse väärtustes (nagu on kindlaks määranud S.I. Vavilov, kui intensiivsus muutub 1020 korda), mille puhul neeldumisindeks ei sõltu ei intensiivsusest ega kihi paksusest.

kus AGA on proportsionaalsuskoefitsient, mis sõltub aine tüübist ja ei sõltu kontsentratsioonist. Pärast selle suhte arvessevõtmist on Bougueri seadus järgmine:

Koefitsient Sõltumatuse väide AGA aine kontsentratsioonist ja selle püsivusest nimetatakse sageli Beer'i (või Beer'i) seaduseks. Selle väite füüsikaline tähendus seisneb selles, et molekulide võime kiirgust neelata ei sõltu ümbritsevatest molekulidest. Siiski on sellel seadusel arvukalt erandeid, mis on seega pigem reegel kui seadus. Koguse väärtus AGA varieerub tihedalt asetsevate molekulide puhul; See sõltub ka lahusti tüübist. Kui üldistatud Bouguer’ seadusest kõrvalekaldeid pole, siis on seda mugav kasutada lahuste kontsentratsiooni määramiseks.

Ainete neeldumisspektreid kasutatakse spektraalanalüüsiks, st komplekssegude koostise määramiseks (kvalitatiivne ja kvantitatiivne analüüs).

Kiirguse neeldumist aine poolt selgitatakse kvantmõistete alusel. Aatomisüsteemi kvantüleminekud ühest statsionaarsest olekust teise on tingitud energia vastuvõtmisest või ülekandmisest selle süsteemi poolt teistele objektidele või selle kiirgusest aatomit ümbritsevasse ruumi. Üleminekud, mille käigus aatomisüsteem neelab, kiirgab või hajub elektromagnetiline kiirgus, kutsutakse kiirgust(või kiirgav). Iga kiirgusüleminek energiatasemete vahel ja spektris vastab spektrijoonele, mida iseloomustab aatomisüsteemi poolt emiteeritud (emissioonispektrite jaoks), neeldunud (neeldumisspektrite jaoks) või hajutatud (hajumisspektrite jaoks) kiirguse sagedus ja teatud energiaomadused. . Üleminekuid, mille käigus toimub antud aatomisüsteemi otsene energiavahetus teiste aatomisüsteemidega (kokkupõrked, keemilised reaktsioonid jne), nimetatakse nn. mittekiirgus(või mittekiirgusega).

Energiataseme peamised omadused on järgmised:

– degeneratsiooni aste (kordsus) ehk statistiline kaal on erinevate statsionaarsete olekute (olekufunktsioonide) arv, millele energia vastab;

– populatsioon on energiat omavate teatud tüüpi osakeste arv ruumalaühiku kohta;

– ergastatud oleku eluiga on osakese keskmine kestus energiaga olekus.

Joone (triibu) spektraalasend, s.o. liini sagedust saab määrata Bohri sagedusreeglit rakendades

Kvantüleminekuid iseloomustavad Einsteini koefitsiendid, mille füüsikalist tähendust selgitatakse hiljem.

Kasutades näitena kõige lihtsamat kahetasandilist süsteemi, analüüsime, millised aatomisüsteemi sisemised omadused määravad spektrijoone intensiivsuse. Olgu ja on isoleeritud aatomisüsteemi (aatomi või molekuli) kaks energiataset, mille populatsiooni tähistatakse vastavalt N 1 ja N 2(Joonis 3).

Aja jooksul tekkivate osakeste arv mahuühiku kohta dt ergastuse statsionaarses režiimis määratakse üleminekud, millega kaasneb elektromagnetilise kiirguse energia neeldumine, vastavalt valemile:

kus on välise (ergastava) kiirguse ruumalaspektraalne energiatihedus, mille sagedus on .

Sel juhul neelavad energiat ergastatud olekusse ainemahuühikus oleva energiaga osakesed

Avaldisest (5) on näha, et

on ülemineku tõenäosus ajaühiku kohta, millega kaasneb neeldumine, osakese kohta. Seega Einsteini koefitsient omab tõenäosuslikku (statistilist) tähendust.

Elektromagnetilise kiirguse emissiooniprotsess võib toimuda kahe mehhanismi kaudu: spontaanselt (sisemistel põhjustel) ja sunniviisiliselt (põneva kiirguse mõjul).

Aja jooksul tekkivate osakeste koguarv dt spontaansed üleminekud on otseselt võrdelised süsteemi algseisundile vastava taseme populatsiooniga:

Aine mahuühikus paiknevate aatomite (molekulide) spontaanselt kiirgava elektromagnetilise kiirguse energiat aja jooksul võib esitada järgmiselt:

Valemist (8) väljendame väärtust:

on Einsteini koefitsient, mis tähendab ülemineku tõenäosust, millega kaasneb elektromagnetkiirguse spontaanne emissioon ühe osakese võrra ajaühikus.

Stimuleeritud emissioon toimub välise (sunnitava) kiirguse toimel. vaadeldavas tasandite süsteemis vahetult Stimuleeritud kiirgusüleminekute arv aja jooksul dt proportsionaalselt rahvaarvuga N 2 süsteemi algolekule vastav tase ( E 2) ja välise (ergava) kiirguse spektraalenergia tihedus u 12:

Stimuleeritud kiirguse energia, mis kiirgub aine mahuühikus aja jooksul dt, kirjutame kujul:

Valemist (11) on kogust lihtne välja võtta

on ühe osakese poolt ajaühikus toimuva ülemineku tõenäosus, millega kaasneb stimuleeritud emissioon. Siin on stimuleeritud kiirgusüleminekute Einsteini koefitsient.

Esitatud esituste põhjal luuakse Einsteini koefitsientide vahelised seosed vaadeldavate üleminekute jaoks järgmisel kujul:

kus ja on energiatasemete statistilised kaalud ja .

Seega on aatomisüsteemi sisemised parameetrid, mis määravad aines neeldunud või emiteeritud elektromagnetkiirguse energia ja sellest tulenevalt ka spektrijoonte intensiivsuse salvestatud spektris. ülemineku tõenäosused ajaühiku kohta, see tähendab Einsteini koefitsiente.

Seega on optilise kiirguse võimendamiseks võimalik kasutada ainult ühte tüüpi elementaarprotsesse, nimelt kiirgusega stimuleeritud üleminekuid. Vastavalt avaldisele (13) saab selliste üleminekute tõenäosust suurendada, suurendades "sunnitava" kiirguse spektraalset energiatihedust. Teisest küljest sõltub teatud tõenäosusega stimuleeritud üleminekute arv ajaühikus, mis määrab stimuleeritud emissioonivõimsuse, ka ülemise energiataseme populatsioonist. N 2.

Energiabilanssi aine ruumalaühiku kohta, mis eraldub ajaühikus sundüleminekute tulemusena ja neeldub sundsiirde tulemusel aatomi ergastamisega, võib esitada järgmiselt:

Arvestades, et g 1 B 12 = g 2 B 21, saab valemi (16) ümber kirjutada järgmiselt:

Looduslikes tingimustes, vastavalt Maxwell-Boltzmanni jaotusele, alati ja ∆W< 0, st. kiirguse levimisega keskkonnas kaasneb tingimata selle intensiivsuse vähenemine.

Selleks, et keskkond võimendaks sellele langevat kiirgust ( ∆W> 0), on vajalik, et tingimus või (degeneratsiooni puudumisel) N2 > N1 Ehk siis populatsioonide tasakaalujaotust tuleb rikkuda nii, et suurema energiaga osariigid oleksid asustatud rohkem kui madalama energiaga riigid.

Mittetasakaalulises olekus olevat keskkonda, kus populatsiooni jaotus vähemalt kahel energiatasemel on Maxwell-Boltzmanni jaotuse suhtes inverteeritud (inverteeritud), nimetatakse. vastupidine. Sellistel kandjatel on negatiivne neeldumistegur α (vt (1) – Bougueri seadus), s.o. kui kiirgus neid läbib, suureneb selle intensiivsus. Selliseid keskkondi nimetatakse aktiivne. Valguse võimendamiseks aktiivses keskkonnas peab ajaühikus eralduv energia ületama kogu energiakadusid, mis tulenevad kiirguse neeldumisest keskkonnas ja kasulikest kadudest, st kiirguse eemaldamisest keskkonnast kiirguse levimise suunas. (näiteks kasulikud kaod on laserkiirguse energia).

Suur nafta ja gaasi entsüklopeedia. Valguse neeldumine (absorptsioon) aine poolt

2.7.Aatomite elektromagnetkiirguse emissiooni elementaarne kvantteooria [e-postiga kaitstud]

Sel juhul viiakse osakesed ergastatud olekusse energiaga aine mahuühikus,energia neeldub

Avaldisest (5 ) on näha, et

Nagu ka muud tööd, mis võivad teile huvi pakkuda