Світіння твердих тіл викликане їх бомбардуванням. Теплове випромінювання та люмінесценція

Теплове випромінювання та люмінесценція.

Енергія, що витрачається тілом, що світиться на випромінювання, може поповнюватися з різних джерел. Фосфор, що окислюється на повітрі, світиться за рахунок енергії, що виділяється при хімічному перетворенні. Такий вид світіння називається хемілюмінесценцією. Світіння, що виникає при різних видах самостійного газового розряду, зветься електролюмінесценцією. Світіння твердих тіл, викликане бомбардуванням їх електронами, називають катодолюмінесценцією. Випускання тілом випромінювання певної характерної йому довжини хвилі λ 1 можна викликати, опромінюючи це тіло (або опромінивши попередньо) випромінюванням довжини хвилі λ 1 , меншою ніж λ 2. Такі процеси поєднуються під назвою фотолюмінесценції (Люмінесценцією називається випромінювання, надмірне над тепловим випромінюванням тіла при даній температурі і має тривалість, що значно перевищує період хвиль, що випромінюються. Люмінесцентні речовини називаються люмінофорами ).

Рис 8. 1 Хемілюмінесценція

Рис 8. 2 Фотолюмінесценція

Рис 8. 3 Електролюмінесценція.

Найпоширенішим є світіння тіл, обумовлене їх нагріванням. Цей вид світіння називається тепловим (або температурним) випромінюванням. Теплове випромінювання має місце за будь-якої температури, проте за невисоких температурах випромінюються майже довгі (інфрачервоні) електромагнітні хвилі.

Оточимо випромінююче тіло непроникною оболонкою з поверхнею, що ідеально відбиває (рис.).

Випромінювання, впавши на тіло, поглинеться ним (частково або повністю). Отже, відбуватиметься безперервний обмін енергією між тілом і випромінюванням, що заповнює оболонку. Якщо розподіл енергії між тілом і випромінюванням залишається незмінним кожної довжини хвилі, стан системи тіло - випромінювання буде рівноважним. Досвід показує, що єдиним видом випромінювання, яке може бути в рівновазі з випромінюючими тілами, є теплове випромінювання. Решта видів випромінювання виявляються нерівноважними.

Здатність теплового випромінювання перебувати у рівновазі з випромінюючими тілами обумовлена ​​тим, що його інтенсивність зростає у разі підвищення температури. Припустимо, що рівновага між тілом та випромінюванням (див. рис.) порушена і тіло випромінює енергії більше, ніж поглинає.

Тоді внутрішня енергія тіла зменшуватиметься, що призведе до зниження температури. Це своє чергу зумовить зменшення кількості випромінюваної тілом енергії. Температура тіла буде знижуватися до тих пір, поки кількість енергії, що випромінюється тілом, не стане рівною кількості поглинається енергії. Якщо рівновага порушиться в інший бік, тобто кількість випромінюваної енергії виявиться меншою, ніж поглинається, температура тіла зростатиме доти, доки знову не встановиться рівновага. Отже, порушення рівноваги у системі тіло - випромінювання викликає виникнення процесів, що відновлюють рівновагу.

Інша справа у разі будь-якого з видів люмінесценції. Покажемо це з прикладу хемілюмінесценції. Поки протікає хімічна реакція, що обумовлює випромінювання, випромінююче тіло все більше і більше віддаляється від початкового стану. Поглинання тілом випромінювання не змінить напрями реакції, а навпаки призведе до швидшого (внаслідок нагрівання) перебігу реакції у початковому напрямку. Рівнавага встановиться лише тоді, коли буде витрачено весь запас реагуючих речовин та Свічення.

обумовлене хімічними процесами заміниться тепловим випромінюванням.

Отже, із усіх видів випромінювання рівноважним може лише теплове випромінювання. До рівноважних станів та процесів застосовні закони термодинаміки. Отже, і теплове випромінювання має підпорядковуватися деяким загальним закономірностям, які з принципів термодинаміки. До розгляду цих закономірностей ми й перейдемо.

8.2 Закон Кірхгофа.

Введемо деякі характеристики теплового випромінювання.

Потік енергії (будь-яких частот), випромінюється одиницею поверхні випромінюючого тіла в одиницю часу у всіх напрямках(в межах тілесного кута 4π), називається енергетичної світності тіла (R) [R] = Вт/м2 .

Випромінювання складається з хвиль різної частоти (ν). Позначимо потік енергії, що випускається одиницею поверхні тіла в інтервалі частот від ν до ν + dν, через d Rν. Тоді за даної температури.

де - спектральна щільність енергетичної світності, або променевипускальна здатність тіла .

Досвід показує, що променевипускальна здатність тіла залежить від температури тіла (для кожної температури максимум випромінювання лежить у своїй ділянці частот). Розмірність .

Знаючи випромінювальну здатність, можна обчислити енергетичну світність:

Нехай на елементарний майданчик поверхні тіла падає потік променистої енергії dФ, обумовлений електромагнітними хвилями, частоти яких укладені в інтервалі d? Частина цього потоку поглинатиметься тілом. Безрозмірна

називається поглинальною здатністю тіла . Вона також дуже залежить від температури.

За визначенням може бути більше одиниці. Для тіла, що повністю поглинає випромінювання всіх частот, . Таке тіло називається абсолютно чорним (це ідеалізація).

Тіло, для якого та менше одиниці для всіх частот,називається сірим тілом (це теж ідеалізація).

Між випромінювальною та поглинальною здатністю тіла існує певний зв'язок. Подумки проведемо наступний експеримент.

Нехай усередині замкнутої оболонки знаходяться три тіла. Тіла знаходяться у вакуумі, отже обмін енергією може відбуватися тільки за рахунок випромінювання. Досвід показує, що така система через деякий час прийде в стан теплової рівноваги (всі тіла та оболонка матимуть одну й ту саму температуру).

У такому стані тіло, що володіє більшою променевипускальною здатністю, втрачає в одиницю часу і більше енергії, але, отже це тіло має мати більшу поглинаючу здатність:

Густав Кірхгоф у 1856 році сформулював закон і запропонував модель абсолютно чорного тіла .

Ставлення променевипускальної до поглинальної здатності залежить від природи тіла, воно є всім тіл однієї й тієї ж(універсальною)функцією частоти та температури.

де f (- Універсальна функція Кірхгофа.

Ця функція має універсальний, або абсолютний характер.

Самі величини і взяті окремо, можуть змінюватися надзвичайно сильно при переході від одного тіла до іншого, але їх відношення постійнодля всіх тіл (при даній частоті та температурі).

Для абсолютно чорного тіла , =1 , отже, йому f( , тобто. Універсальна функція Кірхгофа є не що інше, як променевипускальна здатність абсолютно чорного тіла.

Абсолютно чорних тіл у природі не існує. Сажа або платинова чернь мають поглинаючу здатність 1 , але тільки в обмеженому інтервалі частот. Однак порожнина з малим отвором дуже близька за своїми властивостями до чорного тіла. Промінь, що потрапив усередину, після багаторазових відбиття обов'язково поглинається, причому промінь будь-якої частоти.

Променева здатність такого пристрою (порожнини) дуже близька до f(ν ,T). Таким чином, якщо стінки порожнини підтримуються за температури T, то з отвору виходить випромінювання дуже близьке спектральному складу до випромінювання абсолютно чорного тіла при тій же температурі.

Розкладаючи це випромінювання спектр, можна знайти експериментальний вид функції f(ν ,T)(рис. 1.3), при різних температурах Т 3 > Т 2 > Т 1 .

Площа, що охоплюється кривою, дає енергетичну світність абсолютно чорного тіла за відповідної температури.

Ці криві однакові всім тіл.

Криві схожі на функцію розподілу молекул за швидкостями. Але там площі, що охоплюються кривими, постійні, а тут із збільшенням температури площа суттєво збільшується. Це говорить про те, що енергетична сумісність залежить від температури. Максимум випромінювання (випромінювальної здатності) зі збільшенням температури зміщуєтьсяу бік високих частот.

Вступ ………………………………………………………………………………….2

Механізм випромінювання……………………………………………………………………..3

Розподіл енергії в спектрі……………………………………………………….4

Види спектрів…………………………………………………………………………….6

Види спектральних аналізів……………………………………………………………7

Заключение………………………………………………………………………………..9

Література……………………………………………………………………………….11

Вступ

Спектр – це розкладання світла на складові, промені різних кольорів.

Метод дослідження хімічного складу різних речовин за їх лінійними спектрами випромінювання або поглинання називають спектральний аналіз.Для спектрального аналізу потрібна незначна кількість речовини. Швидкість і чутливість зробили цей метод незамінним як і лабораторіях, і у астрофізиці. Оскільки кожен хімічний елемент таблиці Менделєєва випромінює характерний лише нього лінійний спектр випромінювання і поглинання, це дає можливість досліджувати хімічний склад речовини. Вперше його спробували зробити фізики Кірхгоф і Бунзен у 1859 році. Спектроскоп.Світло пропускалося в нього через вузьку щілину, прорізану з одного краю підзорної труби (ця труба із щілиною називається коліматор). З коліматора промені падали на призму, накриту ящиком, обклеєним зсередини чорним папером. Призма відхиляла убік промені, що йшли із щілини. Виходив спектр. Після цього завісили вікно шторою і поставили біля щілини коліматора запалений пальник. У полум'я свічки вводили по черзі шматочки різних речовин, і дивилися через другу підзорну трубу на спектр, що виходить. Виявлялося, що розпечені пари кожного елемента давали промені строго певного кольору, і призма відхиляла ці промені на строго певне місце, і жоден колір тому міг замаскувати інший. Це дозволило зробити висновок, що радикально знайдено новий спосіб хімічного аналізу – за спектром речовини. У 1861 Кірхгоф довів на основі цього відкриття присутність у хромосфері Сонця ряду елементів, започаткувавши астрофізику.

Механізм випромінювання

Джерело світла має споживати енергію. Світло - це електромагнітні хвилі із довжиною хвилі 4*10 -7 - 8*10 -7 м. Електромагнітні хвилі випромінюються при прискореному русі заряджених частинок. Ці заряджені частки входять до складу атомів. Але, не знаючи, як улаштований атом, нічого достовірного про механізм випромінювання сказати не можна. Зрозуміло, що всередині атома немає світла так само, як у струні рояля немає звуку. Подібно до струни, що починає звучати лише після удару молоточка, атоми народжують світло тільки після їх збудження.

Для того, щоб атом почав випромінювати, йому необхідно передати енергію. Випромінюючи, атом втрачає отриману енергію, і для безперервного світіння речовини необхідний приплив енергії до атомів ззовні.

Теплове випромінювання.Найпростіший і найпоширеніший вид випромінювання - теплове випромінювання, у якому втрати атомами енергії на випромінювання світла компенсуються з допомогою енергії теплового руху атомів чи (молекул) випромінюючого тіла. Що температура тіла, то швидше рухаються атоми. При зіткненні швидких атомів (молекул) одна з одною частина їх кінетичної енергії перетворюється на енергію збудження атомів, які потім випромінюють світло.

Тепловим джерелом випромінювання є Сонце, і навіть звичайна лампа розжарювання. Лампа дуже зручне, але малоекономічне джерело. Лише приблизно 12% усієї енергії, що виділяється в лампі електричним струмом, перетворюється на енергію світла. Тепловим джерелом світла є полум'я. Крупинки сажі розжарюються за рахунок енергії, що виділяється при згорянні палива, і випромінюють світло.

Електролюмінесценція.Енергія, необхідна атомам випромінювання світла, може запозичуватися і з нетеплових джерел. При розряді у газах електричне поле повідомляє електронам велику кінетичну енергію. Швидкі електрони відчувають зіткнення з атомами. Частина кінетичної енергії електронів йде на збудження атомів. Порушені атоми віддають енергію у вигляді світлових хвиль. Завдяки цьому розряд у газі супроводжується світінням. Це і є електролюмінесценція.

Катодолюмінесценція.Світіння твердих тіл, викликане бомбардуванням їх електронами, називають катодолюмінісенцією. Завдяки катодолюмінесценції світяться екрани електронно-променевих трубок телевізорів.

Хемілюмінесценція.При деяких хімічних реакціях, що з виділенням енергії, частина цієї енергії безпосередньо витрачається на випромінювання світла. Джерело світла залишається холодним (він має температуру навколишнього середовища). Це явище називається хеміолюмінесценкіей.

Фотолюмінесценція.Падаючий на речовину світло частково відбивається, а частково поглинається. Енергія світла, що поглинається, в більшості випадків викликає лише нагрівання тіл. Однак деякі тіла самі починають світитися безпосередньо під дією випромінювання, що падає на нього. Це і є фотолюмінесценція. Світло збуджує атоми речовини (збільшує їхню внутрішню енергію), після чого вони висвічуються самі. Наприклад, фарби, що світяться, якими покривають багато ялинкових іграшок, випромінюють світло після їх опромінення.

Випромінюваний при фотолюмінесценції світло має, як правило, більшу довжину хвилі, ніж світло, що збуджує свічення. Це можна спостерігати експериментально. Якщо направити на посудину з флюоресцеїтом (органічний барвник) світловий пучок,

пропущений через фіолетовий світлофільтр, то ця рідина починає світитися зелено - жовтим світлом, тобто світлом більшої довжини хвилі, ніж у фіолетового світла.

Явище фотолюмінесценції широко використовується у лампах денного світла. Радянський фізик С. І. Вавілов запропонував покривати внутрішню поверхню розрядної трубки речовинами, здатними яскраво світитися під дією короткохвильового випромінювання газового розряду. Лампи денного світла приблизно в три-чотири рази економічніші за звичайні лампи розжарювання.

Перераховані основні види випромінювань та джерела, що їх створюють. Найпоширеніші джерела випромінювання – теплові.

Розподіл енергії у спектрі

На екрані за заломлюючою призмою монохроматичні кольори в спектрі розташовуються в наступному порядку: червоний (що має найбільшу серед хвиль видимого світла довжину хвилі (к=7,6(10-7 м і найменший показник заломлення)), помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий (має найменшу у видимому спектрі довжину хвилі (ф=4(10-7 м і найбільший показник заломлення). Жоден з джерел не дає монохроматичного світла, тобто світла строго певної довжини хвилі. У цьому нас переконують досліди розкладання світла в спектр за допомогою призми, а також досліди з інтерференції та дифракції.

Та енергія, яку несе із собою світло від джерела, певним чином розподілена хвилями всіх довжин, що входять до складу світлового пучка. Можна також сказати, що енергія розподілена за частотами, оскільки між довжиною хвилі та частотою існує простий зв'язок: v = c.

Щільність потоку електромагнітного випромінювання, або інтенсивність /, визначається енергією W, що припадає на всі частоти. Для характеристики розподілу випромінювання за частотами необхідно запровадити нову величину: інтенсивність, що припадає одиничний інтервал частот. Цю величину називають спектральною густиною інтенсивності випромінювання.

Спектральну густину потоку випромінювання можна знайти експериментально. Для цього треба за допомогою призми отримати спектр випромінювання, наприклад електричної дуги, і виміряти щільність потоку випромінювання, що припадає на невеликі спектральні інтервали шириною Av.

Покладатися на око в оцінці розподілу енергії не можна. Око має вибіркову чутливість до світла: максимум його чутливості лежить у жовто-зеленій області спектру. Найкраще скористатися властивістю чорного тіла майже повністю поглинати світло всіх довжин хвиль. При цьому енергія випромінювання (тобто світла) викликає нагрівання тіла. Тому достатньо виміряти температуру тіла і по ній судити про кількість поглиненої в одиницю часу енергії.

Звичайний термометр має занадто малу чутливість для того, щоб його можна було успішно використовувати в таких дослідах. Потрібні чутливіші прилади для вимірювання температури. Можна взяти електричний термометр, у якому чутливий елемент виконаний у вигляді тонкої металевої пластини. Цю пластину треба покрити тонким шаром сажі, що майже повністю поглинає світло будь-якої довжини хвилі.

Чутливу до нагрівання пластину приладу слід помістити в місце спектру. Усьому видимому спектру довжиною l від червоних променів до фіолетових відповідає інтервал частот від v кр до ф. Ширині відповідає мінімальний інтервал Av. По нагріванню чорної пластини приладу можна будувати висновки про щільності потоку випромінювання, що припадає інтервал частот Av. Переміщаючи пластину вздовж спектру, ми виявимо, що більшість енергії припадає на червону частину спектру, а не на жовто-зелену, як здається на око.

За наслідками цих дослідів можна побудувати криву залежності спектральної щільності інтенсивності випромінювання від частоти. Спектральна щільність інтенсивності випромінювання визначається за температурою пластини, а частоту неважко знайти, якщо прилад, що використовується для розкладання світла, проградуйований, тобто якщо відомо, якій частоті відповідає дана ділянка спектру.

Відкладаючи по осі абсцис значення частот, відповідних середин інтервалів Av, а по осі ординат спектральну щільність інтенсивності випромінювання, ми отримаємо ряд точок, через які можна провести плавну криву. Ця крива дає наочне уявлення про розподіл енергії та видиму частину спектра електричної дуги.

Спектральні апарати.Для точного дослідження спектрів такі прості пристрої, як вузька щілина, що обмежує світловий пучок, і призма, вже недостатні. Необхідні прилади, що дають чіткий спектр, тобто прилади, що добре розділяють хвилі різної довжини і не допускають перекриття окремих ділянок спектру. Такі пристрої називають спектральними апаратами. Найчастіше основною частиною спектрального апарату є призма чи дифракційна решітка.

Розглянемо схему пристрою призменного спектрального апарату. Досліджуване випромінювання надходить спочатку частина приладу, звану колиматором. Коліматор є трубою, на одному кінці якої є ширма з вузькою щілиною, а на іншому - лінза, що збирає. Щілина знаходиться на фокусній відстані від лінзи. Тому світловий пучок, що розходиться, потрапляє на лінзу зі щілини, виходить з неї паралельним пучком і падає на призму.

Так як різним частотам відповідають різні показники заломлення, то з призми виходять паралельні пучки, що не збігаються у напрямку. Вони падають на лінзу. На фокусній відстані цієї лінзи розташовується екран - матове скло або

фотопластинка. Лінза фокусує паралельні пучки променів на екрані, і замість одного зображення щілини виходить цілий ряд зображень. Кожній частоті (вузькому спектральному інтервалу) відповідає своє зображення. Всі ці зображення разом утворюють спектр.

Описаний пристрій називається спектрографом. Якщо замість другої лінзи та екрану використовується зорова труба для візуального спостереження спектрів, то пристрій називається спектроскопом, описаним вище. Призми та інші деталі спектральних апаратів необов'язково виготовляються зі скла. Замість скла застосовують і такі прозорі матеріали, як кварц, кам'яна сіль та ін.

Види спектрів

Спектральний склад випромінювання речовин дуже різноманітний. Але, незважаючи на це, всі спектри, як показує досвід, можна поділити на кілька типів:

Безперервні спектри.Сонячний спектр чи спектр дугового ліхтаря є безперервним. Це означає, що у спектрі представлені хвилі всіх довжин. У спектрі немає розривів, і на екрані спектрографа можна бачити суцільну кольорову смугу.

Розподіл енергії за частотами, тобто Спектральна щільність інтенсивності випромінювання, для різних тіл по-різному. Наприклад, тіло з дуже чорною поверхнею випромінює електромагнітні хвилі всіх частот, але крива залежності спектральної щільності інтенсивності випромінювання від частоти має максимум міри певній частоті. Енергія випромінювання, що припадає на дуже малі та дуже великі частоти, мізерно мала. При підвищенні температури максимум спектральної щільності випромінювання зміщується у бік коротких хвиль.

Безперервні (або суцільні) спектри, як свідчить досвід, дають тіла, що у твердому чи рідкому стані, і навіть сильно стислі гази. Для отримання безперервного діапазону необхідно нагріти тіло до високої температури.

Характер безперервного спектра і сам його існування визначаються як властивостями окремих випромінюючих атомів, а й у сильною мірою залежить від взаємодії атомів друг з одним.

Безперервний спектр дає високотемпературна плазма. Електромагнітні хвилі випромінюються плазмою переважно при зіткненні електронів з іонами.

Лінійчасті спектри.Внесемо в бліде полум'я газового пальника шматочок азбесту, змоченого розчином звичайної кухонної солі.

При спостереженні полум'я спектроскоп на тлі ледь помітного безперервного спектру полум'я спалахне яскрава жовта лінія. Цю жовту лінію дають пари натрію, які утворюються при розщепленні молекул кухонної солі полум'я. Кожен з них - це частокіл кольорових ліній різної яскравості, розділених широкими темними

смугами. Такі спектри називаються лінійчастими. Наявність лінійчастого спектра означає, що речовина випромінює світло лише цілком певних довжин хвиль (точніше, у певних дуже вузьких спектральних інтервалах). Кожна лінія має кінцеву ширину.

Лінійчасті спектри дають усі речовини в газоподібному атомарному (але не молекулярному) стані. І тут світло випромінюють атоми, які мало взаємодіють друг з одним. Це найбільш фундаментальний, основний тип спектрів.

Ізольовані атоми випромінюють строго певні довжини хвиль. Зазвичай для спостереження лінійчастих спектрів використовують свічення парів речовини в полум'ї або свічення газового розряду в трубці, наповненій газом, що досліджується.

При збільшенні густини атомарного газу окремі спектральні лінії розширюються, і, нарешті, при дуже великому стисканні газу, коли взаємодія атомів стає суттєвою, ці лінії перекривають одна одну, утворюючи безперервний спектр.

Смугасті спектри.Смугастий спектр складається з окремих смуг, розділених темними проміжками. За допомогою дуже гарного спектрального апарату можна

виявити, що кожна смуга є сукупністю великої кількості дуже тісно розташованих ліній. На відміну від лінійних спектрів смугасті спектри створюються не атомами, а молекулами, які не пов'язані або слабко пов'язані один з одним.

Для спостереження молекулярних спектрів так само, як і для спостереження лінійних спектрів, зазвичай використовують свічення парів у полум'ї або свічення газового розряду.

Спектри поглинання.Усі речовини, атоми яких у збудженому стані, випромінюють світлові хвилі, енергія яких певним чином розподілена по довжинах хвиль. Поглинання світла речовиною також залежить від довжини хвилі. Так, червоне скло пропускає хвилі, що відповідають червоному світлу, і поглинає решту.

Якщо пропускати біле світло крізь холодний газ, що не випромінює, то на тлі безперервного спектру джерела з'являються темні лінії. Газ поглинає найбільш інтенсивно світло тих довжин хвиль, які він випромінює в сильно нагрітому стані. Темні лінії на фоні безперервного спектру - це лінії поглинання, що утворюють разом спектр поглинання.

Існують безперервні, лінійчасті та смугасті спектри випромінювання та стільки ж видів спектрів поглинання.

Лінійчасті спектри відіграють важливу роль, тому що їх структура прямо пов'язана з будовою атома. Адже ці спектри створюються атомами, які не мають зовнішніх впливів. Тому, знайомлячись із лінійчастими спектрами, ми цим робимо перший крок до вивчення будови атомів. Спостерігаючи ці спектри, вчені отримали

можливість "зазирнути" всередину атома. Тут оптика впритул стикається з атомною фізикою.

Види спектральних аналізів

Головна властивість лінійчастих спектрів полягає в тому, що довжини хвиль (або частоти) лінійчастого спектру будь-якої речовини залежать тільки від властивостей атомів цієї речовини, але не залежать від способу збудження свічення атомів. Атоми

будь-якого хімічного елемента дають спектр, не схожий на спектри всіх інших елементів: вони здатні випромінювати строго певний набір довжин хвиль.

На цьому заснований спектральний аналіз – метод визначення хімічного складу речовини за його спектром. Подібно до відбитків пальців у людей лінійчасті спектри мають неповторну індивідуальність. Неповторність візерунків на шкірі пальця часто допомагає знайти злочинця. Так само завдяки індивідуальності спектрів є

можливість визначити хімічний склад тіла. За допомогою спектрального аналізу можна виявити цей елемент у складі складної речовини. Це дуже вразливий метод.

На даний час відомі такі види спектральних аналізів - атомний спектральний аналіз (АСА)(визначає елементний склад зразка по атомним (іонним) спектрам випромінювання та поглинання), емісійний АСА(за спектрами випромінювання атомів, іонів та молекул, збудженими різними джерелами електромагнітного випромінювання в діапазоні від g-випромінювання до мікрохвильового), атомно-абсорбційний СА(здійснюють за спектрами поглинання електромагнітного випромінювання аналізованими об'єктами (атомами, молекулами, іонами речовини, що знаходиться в різних агрегатних станах)), атомно-флуоресцентний СА, молекулярний спектральний аналіз (МСА) (молекулярний склад речовин за молекулярними спектрами поглинання, люмінесценції та комбінаційного розсіювання світла.), якісний МСА(досить встановити наявність або відсутність аналітичних ліній визначених елементів. За яскравістю ліній при візуальному перегляді можна дати грубу оцінку змісту тих чи інших елементів у пробі), кількісний МСА(здійснюють порівнянням інтенсивностей двох спектральних ліній у спектрі проби, одна з яких належить визначуваному елементу, а інша (лінія порівняння) - основному елементу проби, концентрація якого відома, або спеціально введеному у відомій концентрації елементу).

В основі МСА лежить якісне та кількісне порівняння виміряного спектра досліджуваного зразка із спектрами індивідуальних речовин. Відповідно розрізняють якісний та кількісний МСА. У МСА використовують різні види молекулярних спектрів, обертальні [спектри в мікрохвильовій та довгохвильовій інфрачервоній (ІЧ) областях], коливальні та коливально-обертальні [спектри поглинання та випромінювання в середній ІЧ-області, спектри комбінаційного розсіювання світла (ВРХ), спектри ІК ], електронні, електронно-коливальні та електронно-коливально-обертальні [спектри поглинання та пропускання у видимій та ультрафіолетовій (УФ) областях, спектри флуоресценції]. МСА дозволяє проводити аналіз малих кількостей (у деяких випадках частки мкгі менше) речовин, що у різних агрегатних станах.

Кількісний аналіз складу речовини з його спектру утруднений, оскільки яскравість спектральних ліній залежить тільки від маси речовини, а й від способу збудження світіння. Так, за низьких температур багато спектральних ліній взагалі не з'являються. Однак за дотримання стандартних умов збудження світіння можна проводити і кількісний спектральний аналіз.

Найточнішим із перерахованих аналізів є атомно-абсорбційний СА.Методика проведення ААА проти ін. методами значно простіше, йому характерна висока точність визначення як малих, а й великих концентрацій елементів у пробах. ААА успішно замінює трудомісткі і тривалі хімічні методи аналізу, не поступаючись їм у точності.

Висновок

В даний час визначено спектри всіх атомів та складено таблиці спектрів. За допомогою спектрального аналізу було відкрито багато нових елементів: рубідій, цезій та ін. Елементам часто давали назви відповідно до кольору найінтенсивніших ліній спектру. Рубідій пропонує темно-червоні, рубінові лінії. Слово цезій означає "небесно-блакитний". Це колір основних ліній спектру цезію.

Саме за допомогою спектрального аналізу дізналися хімічний склад Сонця та зірок. Інші методи аналізу тут взагалі неможливі. Виявилося, що зірки складаються з тих самих хімічних елементів, які є і на Землі. Цікаво, що гелій спочатку відкрили на Сонці і лише потім знайшли в атмосфері Землі. Назва цього

елемента нагадує історію його відкриття: слово гелій означає у перекладі «сонячний».

Завдяки порівняльній простоті та універсальності спектральний аналіз є основним методом контролю складу речовини у металургії, машинобудуванні, атомній індустрії. За допомогою спектрального аналізу визначають хімічний склад руд та мінералів.

Склад складних, головним чином органічних сумішей аналізується за їх молекулярними спектрами.

Спектральний аналіз можна проводити не лише за спектрами випромінювання, а й за спектрами поглинання. Саме лінії поглинання у спектрі Сонця та зірок дозволяють досліджувати хімічний склад цих небесних тіл. Яскраво світиться поверхня Сонця – фотосфера – дає безперервний спектр. Сонячна атмосфера поглинає вибірково світло від фотосфери, що призводить до появи ліній поглинання і натомість безперервного спектра фотосфери.

Але й сама атмосфера Сонця випромінює світло. Під час сонячних затемнень, коли сонячний диск закритий Місяцем відбувається звернення ліній спектру. На місці ліній поглинання у сонячному спектрі спалахують лінії випромінювання.

В астрофізиці під спектральним аналізом розуміють не тільки визначення хімічного складу зірок, газових хмар тощо, але й знаходження спектрів багатьох

інші фізичні характеристики цих об'єктів: температура, тиск, швидкість руху, магнітна індукція.

Важливо знати, з чого складаються оточуючі нас тіла. Винайдено багато способів визначення їхнього складу. Але склад зірок та галактик можна дізнатися лише за допомогою спектрального аналізу.

Експресні методи АСА широко застосовуються в промисловості, сільському господарстві, геології та багатьох інших галузях народного господарства та науки. Значну роль АСА грає в атомній техніці, виробництві чистих напівпровідникових матеріалів, надпровідників і т. д. Методами АСА виконується понад 3/4 всіх аналізів у металургії. За допомогою квантометрів проводять оперативний (протягом 2-3 хв) контроль у ході плавки в мартенівському та конвертерному виробництвах. У геології та геологічній розвідці для оцінки родовищ виробляють близько 8 млн. аналізів на рік. АСА застосовується для охорони навколишнього середовища та аналізу ґрунтів, у криміналістиці та медицині, геології морського дна та дослідженні складу верхніх шарів атмосфери, при

розділення ізотопів та визначення віку та складу геологічних та археологічних об'єктів тощо.

p align="justify"> Отже, спектральний аналіз застосовується майже у всіх найважливіших сферах людської діяльності. Отже, спектральний аналіз одна із найважливіших аспектів розвитку як наукового прогресу, а й рівня життя людини.

Література

Заідель А. Н., Основи спектрального аналізу, М., 1965,

Методи спектрального аналізу, М, 1962;

Чулановський Ст М., Введення в молекулярний спектральний аналіз, М. - Л., 1951;

Русанов А. К., Основи кількісного спектрального аналізу руд та мінералів. М., 1971

>> Види випромінювань. Джерела світла

§ 80 ВИДИ ВИПРОМІНЮВАНЬ. ДЖЕРЕЛА СВІТЛА

Світло - це потік електромагнітних хвиль із довжиною хвилі 4 10 -7 -8 10 -7 м. Електромагнітні хвилі випромінюються при прискореному русі заряджених частинок. Ці заряджені частинки входять до складу атомів, у тому числі складається речовина. Але, не знаючи, як улаштований атом, нічого достовірного про механізм випромінювання сказати не можна. Зрозуміло, що всередині атома немає світла так само, як у струні рояля немає звуку. Подібно до струни, яка починає звучати тільки після удару молоточка, атоми можуть «народжувати» світло тільки після їх збудження.

Для того, щоб атом почав випромінювати, йому необхідно передати певну енергію. Випромінюючи, атом втрачає отриману енергію й у безперервного світіння вепщ-ства необхідний приплив енергії до його атомів ззовні.

Теплове випромінювання.Найбільш простий і поширений вид випромінювання - це теплове випромінювання, у якому втрати атомами енергії на випромінювання світла компенсуються з допомогою енергії теплового руху атомом (чи молекул) випромінюючого тіла. Теплове випромінювання - це випромінювання нагрітих тіл. Що температура тема, то швидше рухаються у ньому атоми. При зіткненні швидких атомів (або молекул) один з одним частина їх кінетичної енергії йде на збудження атомів, які потім випромінюють світло і переходять у незбуджувальний стан.

Тепловими джерелами випромінювання є, наприклад, Сонце та звичайна лампа розжарювання. Лампа дуже зручне, але малоекономічне джерело світла. Лише близько 12% всієї енергії, що виділяється в нитки лампи електричним струмом, перетворюється на енергію світла. Нарешті, тепловим джерелом світла є полум'я. Крупинки сажі (частки палива, що не встигли згоріти) розжарюються за рахунок енергії, що виділяється при згорянні палива, і випромінюють світло.

Електролюмінесценція. Енергія, необхідна атомам для випромінювання світла, може надходити з нетеплових джерел. При розряді у газах електричне поле повідомляє електронам велику кінетичну енергію. Швидкі електрони відчувають непружні зіткнення з атомами. Частина кінетичної енергії електронів йде на збудження атомів. Порушені атоми віддають енергію у вигляді світлових хвиль. Внаслідок цього розряд у газі супроводжується світінням. Це електролюмінесценція.

Північне сяйво - також прояв електролюмінесценції. Потоки заряджених частинок, випромінюваних Сонцем, захоплюються магнітним полем Землі. Вони збуджують біля магнітних полюсів Землі атоми верхніх шарів атмосфери, через що ці шари світяться. Явище електролюмінесценції використовується у трубках для рекламних написів.

Катодолюмінесценція. Світіння твердих тіл, викликане бомбардуванням їх електронами, називають катодолюмінесценцією. Завдяки катодолюмінесценції світяться екрани електронно-променевих трубок телевізора.

Хемілюмінесценція.При деяких хімічних реакціях, що йдуть із виділенням енергії, частина цієї енергії безпосередньо витрачається на випромінювання світла. Джерело світла залишається холодним (він має температуру навколишнього середовища). Це називається хемілюмінесценцією. Майже кожен з вас, мабуть, знайомий з ним. Влітку в лісі можна вночі побачити комаху - світлячку. На тілі у нього "горить" маленький зелений "ліхтарик". Ви не обпечете пальців, спіймавши світлячка. Пляшечка, що світиться, на його спинці має майже ту ж температуру, що і навколишнє повітря. Властивістю світитися мають і інші живі організми: бактерії, комахи, багато риб, що мешкають на великій глибині. Нерідко світяться в темряві шматочки дерева, що гниє.

Фотолюмінесценція.Падаючий на речовину світло частково відбивається і частково поглинається. Енергія світла, що поглинається, в більшості випадків викликає лише нагрівання тіл. Однак деякі тіла самі починають світитися безпосередньо під дією випромінювання, що падає на них. Це і є фотолюмінесценція. Світлозбуджує атоми речовини (збільшує їхню внутрішню енергію), і після цього вони висвічуються самі. Наприклад, фарби, що світяться, якими покривають ялинкові іграшки, випромінюють світло після їх опромінення.

Вавілов Сергій Іванович (1891 -1951)- радянський фізик, державний та громадський діяч, президент АН СРСР у 1945-1951 рр. Основні наукові праці присвячені фізичній оптиці та насамперед фотолюмінесценції. Під його керівництвом було розроблено технологію виготовлення ламп денного світла та розвинено метод люмінесцентного аналізу хімічного складу речовин. Під його керівництвом П. А. Черенков відкрив у 1934 р. випромінювання світлаелектронами, що рухаються в середовищі зі швидкістю, що перевищує швидкість світла в цьому середовищі.

Випромінюваний при фотолюмінесценції світло має, як правило, більшу довжину хвилі, ніж світло, що збуджує свічення. Це можна спостерігати експериментально. Якщо направити на посудину з флюоресцеїном (органічний барвник) світловий пучок, пропущений через фполетовий світлофільтр, то ця рідина починає світитися зелено-жовтим світлом, тобто світлом з більшою довжиною хвилі, ніж у фполетового світла.

Явище фотолюміннесценції широко використовується у лампах денного світла. Радянський фізик С. І. Вавілов запропонував покривати внутрішню поверхню розрядної трубки речовинами, здатними яскраво світитися під дією короткохвильового випромінювання газового розряду.

Лампи денного світла приблизно в 3-4 рази економічніші за звичайні лампи розжарювання.

З перерахованих основних видів випромінювань найпоширеніше – теплове випромінювання.

1. Які джерела світла ви знаєте!
2. Які види випромінювань діяли на вас минулої доби!

Мякішев Г. Я., Фізика. 11 клас: навч. для загальноосвіт. установ: базовий та профіл. рівні / Г. Я. Мякішев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругін; за ред. В. І. Ніколаєва, Н. А. Парфентьєвої. - 17-те вид., перероб. та дод. – М.: Просвітництво, 2008. – 399 с: іл.

Календарно-тематичне планування з фізики, завдання та відповіді школяру онлайн , курси вчителю з фізики

У природі давно відомо випромінювання, відмінне за своїм характером від усіх відомих видів випромінювання (теплового випромінювання, відбиття, розсіювання світла тощо). Цим випромінюванням є люмінесцентне випромінювання, прикладами якого може бути свічення тіл при опроміненні їх видимим, ультрафіолетовим і рентгенівським випромінюванням, -випромінюванням і т. д. Речовини, здатні під дією різноманітних збуджень світитися, отримали назву люмінофорів.

Люмінесценція- нерівноважне випромінювання, надлишкове при даній температурі над тепловим випромінюванням тіла, що має тривалість, більшу за період світлових коливань. Перша частина цього визначення призводить до висновку, що люмінесценція не є тепловим випромінюванням (див. § 197), оскільки будь-яке тіло при температурі вище ОК випромінює електромагнітні хвилі, а таке випромінювання є тепловим. Друга частина показує, що люмінесценція не є таким видом світіння, як відбиття і розсіювання світла, гальмівне випромінювання заряджених частинок і т. д. приблизно 10-10 с. Ознака

Тривалість світіння дає можливість відрізнити люмінесценцію від інших нерівноважних процесів. Так, за цією ознакою вдалося встановити, що випромінювання Вавилова-Черенкова (див. § 189) не можна віднести до люмінесценції.

Залежно від способів збудження розрізняють: фотолюмінесценцію(під дією світла), рентгенолюмінесценцію(під дією рентгенівського випромінювання), катодолюмінесценцію(під дією електронів), електролюмінесценцію(Під дією електричного поля), радіолюмінесценцію(при збудженні ядерним випромінюванням, наприклад -випромінюванням, нейтронами, протонами), хемілюмінесценцію(при хімічних перетвореннях), триболюмінесценцію(при розтиранні та розколюванні деяких кристалів, наприклад цукру). За тривалістю світіння умовно розрізняють: флуоресценцію(t10 -8 с) та фосфоресценцію- Свічення, що триває помітний проміжок часу після припинення збудження.

Перше кількісне дослідження люмінесценції проведено понад сто років тому Дж. Стоксом, що сформулювали в 1852 р. таке правило: довжина хвилі люмінесцентного випромінювання завжди більша за довжину хвилі світла, що збудило його (рис. 326). З квантової точки зору правило Стокса означає, що енергія hvпадаючого фотона частково витрачається якісь неоптичні процеси, тобто.

hv=hv люм +E,

звідки v люм , що випливає зі сформульованого правила.

Основною енергетичною характеристикою люмінесценції є енергетичний вихід,введений С. І. Вавіловим у 1924 р.- відношення енергії, випромінюваної люмінофором при повному висвічуванні, до енергії, поглиненої ним. Типова для органічних люмінофорів (на прикладі розчину флуоресцину) залежність енергетичного виходу  від довжини хвилі , збуджуючого світла представлена ​​на рис. 327. З малюнка випливає, що спочатку  зростає пропорційно , а потім, досягаючи максимального значення, швидко спадає до нуля при подальшому збільшенні До(Закон Вавілова).Величина енергетичного виходу для різних люмінофорів коливається в досить широких межах, максимальне значення може досягати приблизно 80%.

Тверді тіла, що є ефективно люмінесцентними штучно приготовленими кристалами з чужорідними домішками, отримали назву кристалофосфорів.На прикладі кристалофосфорів розглянемо механізми виникнення люмінесценції з погляду зонної теорії твердих тіл. Між валентною зоною та зоною провідності кристалофосфору розташовуються домішкові рівні активатора (рис.328). При

поглинання атомом активатора фотона з енергією hv електрон з домішкового рівня переводиться в зону провідності, вільно переміщається кристалом до тих пір, поки не зустрінеться з іоном активатора і не рекомбінує з ним, перейшовши знову на домішковий рівень. Рекомбінація супроводжується випромінюванням кванта люмінесцентного свічення. Час висвічування люмінофора визначається часом життя збудженого стану атомів активатора, який зазвичай не перевищує мільярдних часток секунди. Тому світіння є короткочасним і зникає майже за припиненням опромінення.

Для виникнення тривалого світіння (фосфоресценції) кристалофосфор повинен містити також центри захоплення, чи пасткидля електронів, що є незаповненими локальними рівнями (наприклад, Jl 1 і Л 2), що лежать поблизу дна зони провідності (рис. 329). Вони можуть бути утворені атомами домішок, атомами в міжвузлях і т. д. Під дією світла атоми активатора збуджуються, тобто електрони з домішкового рівня переходять у зону провідності та стають вільними. Однак вони захоплюються пастками, внаслідок чого втрачають свою рухливість, а отже, і здатність рекомбінувати з іоном активатора. Визволення електрона з пастки вимагає витрати певної енергії, яку електрони можуть отримати, наприклад, від теплових коливань решітки. Звільнений з пастки електрон потрапляє в зону провідності і рухається по кристалу до тих пір, поки не буде знову захоплений пасткою, або не рекомбінує з іоном активатора.

У разі виникає квант люмінесцентного випромінювання. Тривалість цього процесу визначається часом перебування електронів у пастках.

Явище люмінесценції набуло широкого застосування у практиці, наприклад люмінесцентний аналіз -метод визначення складу речовини за характерним його світінням. Цей метод, дуже чутливий (приблизно 10 -10 г/см 3 ), дозволяє виявляти наявність нікчемних домішок і застосовується при найтонших дослідженнях в біології, медицині, харчової промисловості і т. д. Люмінесцентна дефектоскопіядозволяє виявити найтонші тріщини на поверхні деталей машин та інших виробів (досліджувана поверхня покривається для цього люмінесцентним розчином, який після видалення залишається в тріщинах).

Люмінофори використовуються в люмінесцентних лампах, є активним середовищем оптичних квантових генераторів (див. § 233) і сцинтиляторів (розглянуті нижче), застосовуються в електронно-оптичних перетворювачах (див. §169), використовуються для створення аварійного та маскувального освітлення і для виготовлення вказівників різних приладів.

Енергія, що витрачається тілом, що світиться на випромінювання, може поповнюватися з різних джерел. Фосфор, що окислюється на повітрі, світиться за рахунок енергії, що виділяється при хімічному перетворенні. Такий вид світіння називається хемілюмінесценцією.

Світіння, що виникає при різних видах самостійного газового розряду, зветься електролюмінесценцією. Світіння твердих тіл, викликане бомбардуванням їх електронами, називають катодо-люм і не сценцією. Випускання тілом випромінювання деякою характерною для нього довжини хвилі 1 можна викликати, опромінюючи це тіло (або опромінивши попередньо) випромінюванням довжини хвилі 2 меншою ніж 1 . Такі процеси поєднуються під назвою фотолюмінесценції.

Найпоширенішим є світіння тіл, обумовлене їх нагріванням. Цей вид світіння називається тепловим (або температурним) випромінюванням. Теплове випромінювання має місце за будь-якої температури, проте за невисоких температурах випромінюються майже довгі (інфрачервоні) електромагнітні хвилі.

Оточимо випромінююче тіло непроникною оболонкою з поверхнею, що ідеально відбиває (рис. 154). Повітря з оболонки видалимо. Відбите оболонкою випромінювання, впавши на тіло, поглинеться ним (частково чи повністю). Отже, відбуватиметься безперервний обмін енергією між тілом і випромінюванням, що заповнює оболонку. Якщо розподіл енергії між тілом і випромінюванням залишається незмінним кожної довжини хвилі, стан системи тіло - випромінювання буде рівноважним. Досвід показує, що єдиним видом випромінювання, яке може бути в рівновазі з випромінюючими тілами, є теплове випромінювання. Решта видів випромінювання виявляються нерівноважними.

Здатність теплового випромінювання перебувати у рівновазі з випромінюючими тілами обумовлена ​​тим, що його інтенсивність зростає у разі підвищення температури. Припустимо, що рівновага між тілом та випромінюванням (див. рис. 1) порушена і тіло випромінює енергії більше, ніж поглинає. Тоді внутрішня енергія тіла зменшуватиметься, що призведе до зниження температури. Це своє чергу зумовить зменшення кількості випромінюваної тілом енергії. Температура тіла буде знижуватися до тих пір, поки кількість енергії, що випромінюється тілом, не стане рівною кількості поглинається енергії. Якщо рівновага порушиться в інший бік, тобто кількість випромінюваної енергії виявиться меншою, ніж поглинається, температура тіла зростатиме доти, доки знову не встановиться рівновага. Отже, порушення рівноваги у системі тіло - випромінювання викликає виникнення процесів, що відновлюють рівновагу.

Інша справа у разі будь-якого з видів люмінесценції. Покажемо це з прикладу хемілюмінесценції. Поки протікає хімічна реакція, що обумовлює випромінювання, випромінююче тіло все більше і більше віддаляється від початкового стану. Поглинання тілом випромінювання не змінить напрями реакції, а навпаки призведе до швидшого (внаслідок нагрівання) перебігу реакції у початковому напрямку. Рівновага встановиться лише тоді, коли буде витрачено весь запас реагуючих речовин і свічення, зумовлене хімічними процесами, заміниться тепловим випромінюванням.

Отже, із усіх видів випромінювання рівноважним може лише теплове випромінювання. До рівноважних станів та процесів застосовні закони термодинаміки. Отже, і теплове випромінювання має підпорядковуватися деяким загальним закономірностям, які з принципів термодинаміки. До розгляду цих закономірностей ми й перейдемо.

Ви також можете знайти цікаву інформацію в науковому пошуковику Otvety.Online. Скористайтеся формою пошуку: