Radiasi gelombang elektromagnetik oleh benda (glow of body) dapat dilakukan karena berbagai jenis energi. Yang paling umum adalah radiasi termal, yaitu, pancaran gelombang elektromagnetik karena energi internal benda. Semua jenis luminesensi lainnya, yang dieksitasi oleh semua jenis energi, kecuali untuk internal (termal), digabungkan di bawah: nama yang umum"pendaran".
Fosfor teroksidasi di udara bersinar karena energi yang dilepaskan selama transformasi kimia. Jenis cahaya ini disebut chemiluminescence. Cahaya yang terjadi pada gas dan padatan ah di bawah pengaruh Medan listrik disebut elektroluminesensi. Cahaya padatan yang disebabkan oleh pemboman mereka dengan elektron disebut cathodoluminescence. Pendaran yang dibangkitkan oleh radiasi elektromagnetik yang diserap oleh tubuh disebut fotoluminesensi.
Radiasi termal terjadi pada suhu berapa pun, tetapi pada suhu rendah, praktis hanya gelombang elektromagnetik panjang (inframerah) yang dipancarkan.
Mengelilingi tubuh memancar cangkang dengan permukaan reflektif sempurna (Gbr. 1.1).
Keluarkan udara dari cangkang. Radiasi yang dipantulkan oleh cangkang, yang jatuh ke tubuh, akan diserap olehnya (sebagian atau seluruhnya). Akibatnya, akan ada pertukaran energi yang terus menerus antara tubuh dan radiasi yang mengisi cangkang. Jika distribusi energi antara tubuh dan radiasi tetap tidak berubah untuk setiap panjang gelombang, keadaan sistem radiasi tubuh akan berada dalam keseimbangan. Pengalaman menunjukkan bahwa satu-satunya jenis radiasi yang dapat berada dalam kesetimbangan dengan benda yang memancar adalah radiasi termal.
Semua jenis radiasi lainnya adalah non-ekuilibrium.
Kemampuan radiasi termal untuk berada dalam kesetimbangan dengan benda-benda yang memancar disebabkan oleh fakta bahwa intensitasnya meningkat dengan meningkatnya suhu. Mari kita asumsikan bahwa keseimbangan antara tubuh dan radiasi terganggu dan tubuh mengeluarkan lebih banyak energi daripada yang diserapnya. Kemudian energi dalam tubuh akan menurun, yang akan menyebabkan penurunan suhu. Hal ini, pada gilirannya, akan menyebabkan penurunan jumlah energi yang dipancarkan oleh tubuh. Suhu tubuh akan menurun hingga jumlah energi yang dipancarkan tubuh menjadi sama dengan nomor energi yang diserap. Jika keseimbangan terganggu ke arah lain, yaitu jumlah energi yang dipancarkan kurang dari yang diserap, suhu tubuh akan meningkat sampai keseimbangan tercapai kembali. Dengan demikian, ketidakseimbangan dalam sistem radiasi tubuh menyebabkan terjadinya proses yang mengembalikan keseimbangan.
Situasinya berbeda dalam kasus luminescence. Mari kita tunjukkan ini pada contoh chemiluminescence. Selama radiasi pengkondisian mengalir reaksi kimia, tubuh yang memancar bergerak semakin jauh dari keadaan aslinya. Penyerapan radiasi oleh tubuh tidak akan mengubah arah reaksi, tetapi sebaliknya akan menyebabkan reaksi yang lebih cepat (karena pemanasan) ke arah semula. Kesetimbangan akan terbentuk hanya ketika seluruh pasokan zat yang bereaksi dan pendaran karena proses kimia, akan digantikan oleh radiasi termal.
Jadi, dari semua jenis radiasi, hanya radiasi termal yang dapat berada dalam kesetimbangan. Ke keadaan keseimbangan dan proses menerapkan hukum termodinamika. Oleh karena itu, radiasi termal harus mematuhi beberapa pola umum timbul dari prinsip termodinamika. Dengan mempertimbangkan keteraturan inilah kita berpaling.
Di alam, radiasi telah lama dikenal yang sifatnya berbeda dari semua jenis radiasi yang dikenal (radiasi termal, refleksi, hamburan cahaya, dll). Radiasi ini adalah radiasi luminescent, contohnya adalah pancaran benda ketika disinari dengan sinar tampak, ultraviolet dan sinar X, -radiasi, dll. Zat yang mampu bersinar di bawah aksi berbagai jenis eksitasi disebut fosfor.
Pendaran- radiasi non-kesetimbangan, kelebihan pada suhu tertentu di atas radiasi termal tubuh dan memiliki durasi lebih besar dari periode osilasi cahaya. Bagian pertama dari definisi ini mengarah pada kesimpulan bahwa pendaran bukanlah radiasi termal (lihat 197), karena benda apa pun pada suhu di atas 0 K memancarkan gelombang elektromagnetik, dan radiasi semacam itu bersifat termal. Bagian kedua menunjukkan bahwa pendaran bukanlah jenis pancaran seperti pantulan dan hamburan cahaya, bremsstrahlung partikel bermuatan, dll. Periode osilasi cahaya kira-kira 10 -15 detik, sehingga durasi pancaran dapat dikaitkan dengan luminescence lebih lama - sekitar 10 -10 s. tanda
Durasi cahaya memungkinkan untuk membedakan luminescence dari proses nonequilibrium lainnya. Jadi, berdasarkan fitur ini, dimungkinkan untuk menetapkan bahwa radiasi Vavilov-Cherenkov (lihat 189) tidak dapat dikaitkan dengan pendaran.
Tergantung pada metode eksitasi, ada: fotoluminesensi(di bawah pengaruh cahaya), luminesensi sinar-x(di bawah pengaruh sinar-x), katodoluminesensi(di bawah pengaruh elektron), elektroluminesensi(di bawah aksi medan listrik), radioluminesensi(ketika tereksitasi oleh radiasi nuklir, misalnya radiasi , neutron, proton), chemiluminescence(selama transformasi kimia), triboluminescence(saat menggosok dan membelah beberapa kristal, seperti gula). Menurut durasi cahaya, bedakan secara kondisional: fluoresensi(t10 -8 s) dan pendar- cahaya yang berlanjut untuk jangka waktu yang nyata setelah penghentian eksitasi.
Studi kuantitatif pertama tentang pendaran dilakukan lebih dari seratus tahun yang lalu. J. Stokes, yang merumuskan aturan berikut pada tahun 1852: panjang gelombang radiasi luminescent selalu lebih besar dari panjang gelombang cahaya yang membuatnya tereksitasi (Gbr. 326). Dari sudut pandang kuantum, aturan Stokes berarti bahwa energi hv foton insiden sebagian dihabiskan untuk beberapa proses non-optik, mis.
hv=hv lum +E,
dari mana v lum
Karakteristik energi utama dari luminescence adalah outlet energi, diperkenalkan oleh S. I. Vavilov pada tahun 1924 - rasio energi yang dipancarkan oleh fosfor selama penerangan penuh dengan energi yang diserap olehnya. Khas untuk luminofor organik (pada contoh larutan fluorescein) ketergantungan hasil energi pada panjang gelombang dari cahaya yang menggairahkan ditunjukkan pada gambar. 327. Dari gambar berikut, awalnya tumbuh sebanding dengan , dan kemudian, mencapai nilai maksimum, dengan cepat turun ke nol dengan peningkatan lebih lanjut Ke(Hukum Vavilov). Hasil energi untuk fosfor yang berbeda bervariasi dalam batas yang cukup luas, nilai maksimumnya dapat mencapai sekitar 80%.
Padatan, yang secara efektif merupakan kristal yang disiapkan secara artifisial dengan pengotor asing, disebut fosfor kristal. Dengan menggunakan contoh fosfor kristal, mari kita pertimbangkan mekanisme munculnya pendaran dari sudut pandang teori zona tubuh padat. Antara pita valensi dan pita konduksi fosfor kristal adalah tingkat pengotor aktivator (Gbr. 328). Pada
Ketika foton dengan energi hv diserap oleh atom penggerak, elektron dari tingkat pengotor dipindahkan ke pita konduksi, bergerak bebas melalui kristal sampai bertemu dengan ion penggerak dan bergabung kembali dengannya, melewati lagi ke tingkat pengotor. Rekombinasi disertai dengan emisi kuantum luminescent luminescence. Waktu cahaya fosfor ditentukan oleh masa hidup keadaan tereksitasi dari atom aktivator, yang biasanya tidak melebihi sepersejuta detik. Oleh karena itu, cahaya berumur pendek dan menghilang segera setelah penghentian iradiasi.
Agar cahaya jangka panjang (pendaran) terjadi, fosfor kristal juga harus mengandung: pusat penangkapan, atau perangkap untuk elektron, yang tingkat lokalnya tidak terisi (misalnya, Jl 1 dan L 2) terletak di dekat bagian bawah pita konduksi (Gbr. 329). Mereka dapat dibentuk oleh atom pengotor, atom di celah, dll. Di bawah aksi cahaya, atom aktivator tereksitasi, yaitu, elektron dari tingkat pengotor masuk ke pita konduksi dan menjadi bebas. Namun, mereka ditangkap oleh perangkap, akibatnya mereka kehilangan mobilitas dan, akibatnya, kemampuan mereka untuk bergabung kembali dengan ion aktivator. Pelepasan elektron dari perangkap membutuhkan pengeluaran energi tertentu, yang dapat diterima elektron, misalnya, dari getaran termal kisi. Elektron yang dilepaskan dari perangkap memasuki pita konduksi dan bergerak melalui kristal sampai ditangkap kembali oleh perangkap atau bergabung kembali dengan ion aktivator.
Dalam kasus terakhir, kuantum radiasi luminescent muncul. Lamanya proses ini ditentukan oleh waktu tinggal elektron dalam perangkap.
Fenomena pendaran telah banyak digunakan dalam praktik, misalnya analisis luminescent - metode untuk menentukan komposisi suatu zat dengan cahaya karakteristiknya. Metode ini, karena sangat sensitif (sekitar 10 -10 g / cm 3), memungkinkan untuk mendeteksi keberadaan pengotor yang dapat diabaikan dan digunakan dalam studi terbaik dalam biologi, kedokteran, industri makanan, dll. Deteksi cacat fluoresen memungkinkan Anda mendeteksi retakan tertipis pada permukaan suku cadang mesin dan produk lainnya (permukaan yang diteliti ditutupi untuk ini dengan solusi luminescent, yang tetap berada di retakan setelah dilepas).
Fosfor digunakan dalam lampu fluoresen, adalah media aktif generator kuantum optik (lihat 233) dan sintilator (akan dibahas di bawah), digunakan dalam konverter elektron-optik (lihat 169), digunakan untuk membuat pencahayaan darurat dan kamuflase dan untuk pembuatan indikator bercahaya dari berbagai perangkat.
radiasi elektromagnetik. Metode aplikasi analisis spektral.
energi radiasi.
Sumber cahaya harus mengkonsumsi energi. Cahaya merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 4 10-7 - 8 10-7 m. Gelombang elektromagnetik dipancarkan pada gerakan cepat partikel bermuatan. Partikel bermuatan ini adalah bagian dari atom. Tapi, tanpa mengetahui bagaimana atom diatur, tidak ada yang dapat dipercaya tentang mekanisme radiasi. Hanya jelas bahwa tidak ada cahaya di dalam atom, sama seperti tidak ada suara dalam senar piano. Seperti senar yang mulai berbunyi hanya setelah dipukul dengan palu, atom-atom melahirkan cahaya hanya setelah mereka tereksitasi.
Agar atom dapat memancar, ia perlu mentransfer energi. Dengan memancar, sebuah atom kehilangan energi yang telah diterimanya, dan untuk pancaran suatu zat secara terus-menerus, diperlukan aliran energi ke atom-atomnya dari luar.
Radiasi termal. Jenis radiasi yang paling sederhana dan paling umum adalah radiasi termal, di mana hilangnya energi oleh atom untuk emisi cahaya dikompensasi oleh energi. gerakan termal atom atau (molekul) dari tubuh yang memancar.
PADA awal XIX di. ditemukan bahwa di atas (dalam panjang gelombang) bagian merah dari spektrum cahaya tampak bagian inframerah dari spektrum tidak terlihat oleh mata, dan di bawah bagian ungu dari spektrum cahaya tampak adalah bagian ultraviolet yang tidak terlihat dari spektrum.
panjang gelombang radiasi infra merah tertutup dalam kisaran 3 10-4 hingga 7,6 10-7 m. properti karakteristik radiasi ini adalah aksi termal. Sumber sinar infra merah adalah benda apapun. Intensitas radiasi ini semakin tinggi, semakin tinggi suhu tubuh. Semakin tinggi suhu tubuh, semakin cepat atom bergerak. Ketika atom (molekul) cepat bertabrakan, beberapa di antaranya energi kinetik berubah menjadi energi eksitasi atom, yang kemudian memancarkan cahaya.
Radiasi inframerah diperiksa menggunakan termokopel dan bolometer. Prinsip pengoperasian perangkat night vision didasarkan pada penggunaan radiasi inframerah.
Sumber panas radiasi adalah Matahari, serta lampu pijar biasa. Lampu adalah sumber yang sangat nyaman, tetapi tidak ekonomis. Hanya sekitar 12% dari total energi yang dilepaskan dalam lampu sengatan listrik, diubah menjadi energi cahaya. Sumber panas cahaya adalah nyala api. Butir jelaga dipanaskan oleh energi yang dilepaskan selama pembakaran bahan bakar, dan memancarkan cahaya.
Elektroluminesensi. Energi yang dibutuhkan oleh atom untuk memancarkan cahaya juga dapat dipinjam dari sumber non-termal. Ketika pemakaian dalam gas, medan listrik memberikan energi kinetik yang besar ke elektron. Elektron cepat mengalami tumbukan dengan atom. Bagian dari energi kinetik elektron digunakan untuk eksitasi atom. Atom yang tereksitasi mengeluarkan energi dalam bentuk gelombang cahaya. Karena ini, pelepasan gas disertai dengan cahaya. Ini adalah elektroluminesensi.
katodoluminesensi. Cahaya padatan yang disebabkan oleh pemboman mereka dengan elektron disebut cathodoluminescence. Layar tabung sinar katoda bersinar karena cathodoluminescence.
Kemiluminesensi. Dalam beberapa reaksi kimia yang melepaskan energi, sebagian dari energi ini langsung dihabiskan untuk emisi cahaya. Sumber cahaya tetap dingin (memiliki suhu lingkungan). Fenomena ini disebut chemiluminescence.
Fotoluminesensi. Cahaya yang jatuh pada suatu zat sebagian dipantulkan dan sebagian diserap. Energi cahaya yang diserap dalam banyak kasus hanya menyebabkan pemanasan tubuh. Namun, beberapa benda itu sendiri mulai bersinar langsung di bawah aksi insiden radiasi di atasnya. Ini adalah fotoluminesensi.
Cahaya menggairahkan atom-atom materi (meningkatkan energi internalnya), setelah itu mereka disorot dengan sendirinya. Misalnya, cat bercahaya, yang menutupi banyak dekorasi Natal, memancarkan cahaya setelah disinari. Fotoluminesensi padatan, serta tujuan khusus- (umum) fosfor, tidak hanya dapat terlihat, tetapi juga dalam rentang ultraviolet dan inframerah. Cahaya yang dipancarkan selama photoluminescence memiliki, sebagai aturan, panjang gelombang yang lebih panjang daripada cahaya yang menggairahkan cahaya. Ini dapat diamati secara eksperimental. Jika berkas cahaya yang melewati filter cahaya ungu diarahkan ke bejana dengan fluoresen (pewarna organik), maka cairan ini mulai bersinar dengan cahaya hijau-kuning, yaitu cahaya dengan panjang gelombang lebih panjang daripada cahaya ungu.
Fenomena photoluminescence banyak digunakan dalam lampu fluorescent. Fisikawan Soviet S. I. Vavilov mengusulkan untuk menutupi Permukaan dalam tabung pelepasan dengan zat yang mampu bersinar terang di bawah aksi radiasi gelombang pendek pelepasan gas.
Distribusi energi dalam spektrum.
Tak satu pun dari sumber memberikan cahaya monokromatik, yaitu cahaya dengan panjang gelombang yang ditentukan secara ketat. Kami yakin akan hal ini dengan eksperimen penguraian cahaya menjadi spektrum dengan bantuan prisma, serta eksperimen interferensi dan difraksi.
Energi yang dibawa oleh cahaya dari sumbernya didistribusikan dengan cara tertentu di atas gelombang semua panjang gelombang yang membentuk berkas cahaya. Kita juga dapat mengatakan bahwa energi didistribusikan melalui frekuensi, karena ada hubungan sederhana antara panjang gelombang dan frekuensi: v = c.
Kerapatan atau intensitas fluks radiasi elektromagnetik ditentukan oleh energi yang disebabkan oleh semua frekuensi. Untuk mengkarakterisasi distribusi radiasi pada frekuensi, Anda perlu memasukkan nilai baru: intensitas per satuan interval frekuensi. Nilai ini disebut kerapatan spektral dari intensitas radiasi.
Anda tidak dapat mengandalkan mata ketika memperkirakan distribusi energi. Mata memiliki kepekaan selektif terhadap cahaya: sensitivitas maksimumnya terletak pada wilayah spektrum kuning-hijau. Yang terbaik adalah memanfaatkan properti benda hitam untuk menyerap hampir sepenuhnya cahaya dari semua panjang gelombang. Dalam hal ini, energi radiasi (yaitu, cahaya) menyebabkan pemanasan tubuh. Oleh karena itu, cukup mengukur suhu tubuh dan menggunakannya untuk menilai jumlah energi yang diserap per satuan waktu.
Termometer biasa terlalu sensitif untuk digunakan dengan sukses dalam eksperimen semacam itu. Diperlukan alat pengukur suhu yang lebih sensitif. Anda dapat mengambil termometer listrik, di mana: elemen penginderaan dibuat dalam bentuk pelat logam tipis. Pelat ini harus ditutupi dengan lapisan tipis jelaga, yang hampir sepenuhnya menyerap cahaya dengan panjang gelombang berapa pun.
Pelat instrumen yang peka terhadap panas harus ditempatkan di satu tempat atau tempat lain dalam spektrum. Semuanya spektrum terlihat panjang l dari sinar merah ke ungu sesuai dengan rentang frekuensi dari IR ke UV. Lebar sesuai dengan interval kecil Av. Dengan memanaskan pelat hitam perangkat, seseorang dapat menilai kerapatan fluks radiasi per interval frekuensi Av. Memindahkan pelat di sepanjang spektrum, kami menemukan bahwa kebanyakan energi jatuh pada bagian merah dari spektrum, dan bukan pada kuning-hijau, seperti yang terlihat oleh mata.
Berdasarkan hasil percobaan ini, dimungkinkan untuk membangun kurva ketergantungan kerapatan spektral intensitas radiasi versus frekuensi. Kerapatan spektral dari intensitas radiasi ditentukan oleh suhu pelat, dan frekuensinya tidak sulit ditemukan jika perangkat yang digunakan untuk menguraikan cahaya dikalibrasi, yaitu, jika diketahui frekuensi apa yang sesuai dengan bagian spektrum yang diberikan. ke.
Memplot sepanjang sumbu absis nilai frekuensi yang sesuai dengan titik tengah interval Av, dan di sepanjang sumbu ordinat kerapatan spektral intensitas radiasi, kami memperoleh serangkaian titik di mana kurva halus dapat ditarik. Kurva ini memberikan representasi visual dari distribusi energi dan bagian yang terlihat dari spektrum busur listrik.
Jenis spektrum.
Komposisi spektral radiasi berbagai zat sangat bervariasi. Namun, terlepas dari ini, semua spektrum, seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, dapat dibagi menjadi tiga jenis yang berbeda satu sama lain.
Spektrum terus menerus.
Spektrum matahari atau spektrum cahaya busur adalah kontinu. Ini berarti bahwa semua panjang gelombang diwakili dalam spektrum. Tidak ada diskontinuitas dalam spektrum, dan pita warna-warni kontinu dapat dilihat pada layar spektrograf.
Distribusi energi melalui frekuensi, yaitu kerapatan spektral intensitas radiasi, untuk berbagai badan berbeda. Misalnya, sebuah benda dengan permukaan yang sangat hitam memancarkan gelombang elektromagnetik dari semua frekuensi, tetapi kerapatan spektral dari kurva intensitas radiasi versus frekuensi memiliki maksimum pada frekuensi tertentu. Energi radiasi yang disebabkan oleh frekuensi yang sangat kecil dan sangat tinggi dapat diabaikan. Saat suhu naik, kerapatan spektral maksimum radiasi bergeser ke arah gelombang pendek.
Spektrum kontinu (atau kontinu), seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, memberikan benda yang berbentuk padat atau keadaan cair dan gas yang sangat terkompresi. Untuk mendapatkan spektrum kontinu, Anda perlu memanaskan tubuh ke suhu tinggi.
Sifat spektrum kontinu dan fakta keberadaannya ditentukan tidak hanya oleh sifat-sifat atom-atom yang memancar, tetapi juga dalam gelar yang kuat tergantung pada interaksi atom satu sama lain.
Spektrum kontinu juga dihasilkan oleh plasma suhu tinggi. Gelombang elektromagnetik dipancarkan oleh plasma terutama ketika elektron bertabrakan dengan ion.
Spektrum garis.
Mari kita masukkan ke dalam nyala api kompor gas sepotong asbes yang dibasahi dengan larutan biasa garam dapur. Saat mengamati nyala api melalui spektroskop, garis kuning cerah berkedip dengan latar belakang spektrum nyala api yang hampir tidak dapat dibedakan. Garis kuning ini diberikan oleh uap natrium, yang terbentuk selama pemecahan molekul natrium klorida dalam nyala api. Pada spektroskop, orang juga dapat melihat palisade garis berwarna dengan kecerahan yang bervariasi, dipisahkan oleh pita gelap lebar. Spektrum seperti ini disebut spektrum garis. Ketersediaan spektrum garis berarti bahwa zat memancarkan cahaya hanya dalam panjang gelombang yang terdefinisi dengan baik (lebih tepatnya, dalam interval spektral tertentu yang sangat sempit). Setiap garis memiliki lebar yang terbatas.
Spektrum garis hanya terjadi pada zat dalam keadaan atom (tetapi tidak pada molekul). Dalam hal ini, cahaya dipancarkan oleh atom-atom yang praktis tidak berinteraksi satu sama lain. Ini adalah jenis spektrum yang paling mendasar dan paling mendasar. Sifat utama dari spektrum garis adalah bahwa atom-atom yang terisolasi dari suatu unsur kimia tertentu memancarkan urutan panjang gelombang yang didefinisikan secara ketat dan tidak berulang. Dua berbagai elemen tidak ada urutan panjang gelombang tunggal. Pita spektral muncul pada keluaran perangkat spektral menggantikan panjang gelombang yang dipancarkan dari sumbernya. Biasanya, untuk mengamati spektrum garis, pancaran uap suatu zat dalam nyala api atau pancaran pelepasan gas dalam tabung yang diisi dengan gas yang diteliti digunakan.
Dengan peningkatan densitas gas atom, garis spektral individu meluas dan, akhirnya, pada titik yang sangat kepadatan tinggi gas, ketika interaksi atom menjadi signifikan, garis-garis ini saling tumpang tindih membentuk spektrum kontinu.
Spektrum bergaris.
Spektrum bergaris terdiri dari pita individu yang dipisahkan oleh celah gelap. Dengan bantuan peralatan spektral yang sangat baik, dapat diketahui bahwa setiap pita adalah kumpulan jumlah yang besar garis yang sangat rapat. Tidak seperti spektrum garis, spektrum garis diciptakan bukan oleh atom, tetapi oleh molekul yang tidak terikat atau terikat lemah. teman terikat dengan seorang teman.
Untuk mengamati spektrum molekul, serta untuk mengamati spektrum garis, biasanya menggunakan pancaran uap dalam nyala api atau pancaran pelepasan gas.
Spektrum emisi dan absorpsi.
Semua zat yang atomnya dalam keadaan tereksitasi memancarkan gelombang cahaya, yang energinya didistribusikan dengan cara tertentu pada panjang gelombang. Penyerapan cahaya oleh suatu zat juga tergantung pada panjang gelombang. Jadi, kaca merah mentransmisikan gelombang yang sesuai dengan cahaya merah (l»8 10-5 cm), dan menyerap semua sisanya.
Jika lewati cahaya putih melalui gas yang dingin dan tidak memancar, garis-garis gelap muncul dengan latar belakang spektrum kontinu dari sumbernya. Gas menyerap paling intens cahaya dengan panjang gelombang yang tepat seperti yang dipancarkannya saat sangat panas. Garis-garis gelap dengan latar belakang spektrum kontinu adalah garis-garis absorpsi, yang bersama-sama membentuk spektrum absorpsi.
Ada spektrum pancaran kontinu, garis dan garis-garis dan jumlah spektrum serapan yang sama.
Analisis spektral dan aplikasinya.
Penting untuk mengetahui terbuat dari apa tubuh di sekitar kita. Banyak metode telah dirancang untuk menentukan komposisi mereka. Tetapi komposisi bintang dan galaksi hanya dapat diketahui dengan bantuan analisis spektral.
Metode untuk menentukan komposisi kualitatif dan kuantitatif suatu zat berdasarkan spektrumnya disebut analisis spektral. Analisis spektral banyak digunakan dalam pencarian mineral untuk menentukan komposisi kimia sampel bijih. Dalam industri, analisis spektral memungkinkan untuk mengontrol komposisi paduan dan pengotor yang dimasukkan ke dalam logam untuk mendapatkan bahan dengan sifat yang diinginkan. Permainan spektrum garis terutama peran penting, karena strukturnya berhubungan langsung dengan struktur atom. Bagaimanapun, spektrum ini diciptakan oleh atom yang tidak mengalami pengaruh eksternal. Oleh karena itu, berkenalan dengan spektrum garis, dengan demikian kami mengambil langkah pertama untuk mempelajari struktur atom. Dengan mengamati spektrum ini, para ilmuwan dapat "melihat" di dalam atom. Di sini, optik bersentuhan erat dengan fisika atom.
Sifat utama spektrum garis adalah bahwa panjang gelombang (atau frekuensi) spektrum garis suatu zat hanya bergantung pada sifat atom zat ini, tetapi sepenuhnya tidak bergantung pada metode eksitasi pendaran atom. Atom-atom dari setiap unsur kimia mengeluarkan spektrum tidak seperti spektrum dari semua unsur lainnya: mereka mampu memancarkan serangkaian panjang gelombang yang ditentukan secara ketat.
Analisis spektral didasarkan pada ini - metode untuk menentukan komposisi kimia suatu zat dari spektrumnya.
Seperti sidik jari manusia, spektrum garis memiliki kepribadian yang unik. Keunikan pola pada kulit jari sering membantu menemukan penjahat. Dengan cara yang sama, karena individualitas spektrum, dimungkinkan untuk menentukan komposisi kimia tubuh. Menggunakan analisis spektral, Anda dapat mendeteksi elemen ini dalam komposisi zat kompleks, bahkan jika massanya tidak melebihi 10-10. Ini adalah metode yang sangat sensitif.
Studi tentang spektrum garis suatu zat memungkinkan untuk menentukan dari mana unsur kimia itu terdiri dan dalam jumlah berapa setiap elemen terkandung dalam zat ini.
Kandungan kuantitatif unsur dalam sampel yang diteliti ditentukan dengan membandingkan intensitas garis individu spektrum unsur ini dengan intensitas garis unsur kimia lain, yang kandungan kuantitatifnya dalam sampel diketahui.
Analisis kuantitatif komposisi suatu zat berdasarkan spektrumnya sulit dilakukan, karena kecerahannya garis spektral tidak hanya bergantung pada massa zat, tetapi juga pada metode eksitasi cahaya. Ya, di suhu rendah banyak garis spektrum tidak muncul sama sekali. Namun, di bawah kondisi standar untuk eksitasi pendaran, analisis spektral kuantitatif juga dapat dilakukan.
Keuntungan dari analisis spektral adalah: sensitivitas tinggi dan kecepatan hasil. Dengan bantuan analisis spektral, dimungkinkan untuk mendeteksi keberadaan emas dalam sampel dengan berat 6·10-7 g, sedangkan massanya hanya 10-8 g. Penentuan kadar baja dengan analisis spektral dapat dilakukan dalam beberapa puluhan detik.
Analisis spektral memungkinkan Anda menentukan komposisi kimia benda angkasa miliaran tahun cahaya dari Bumi. Komposisi kimia atmosfer planet dan bintang, gas dingin di ruang antarbintang ditentukan oleh spektrum serapan.
Dengan mempelajari spektrum, para ilmuwan dapat menentukan tidak hanya komposisi kimia benda langit, tetapi juga suhunya. Pergeseran garis spektral dapat digunakan untuk menentukan kecepatan benda langit.
Saat ini, spektrum semua atom telah ditentukan dan tabel spektrum telah disusun. Dengan bantuan analisis spektral, banyak elemen baru ditemukan: rubidium, cesium, dll. Elemen sering dinamai menurut warna garis spektrum yang paling intens. Rubidium memberi warna merah tua, garis-garis rubi. Kata cesium berarti "biru langit". Ini adalah warna garis utama spektrum cesium.
Dengan bantuan analisis spektral, mereka mempelajari komposisi kimia Matahari dan bintang-bintang. Metode analisis lain umumnya tidak mungkin dilakukan di sini. Ternyata bintang-bintang terdiri dari unsur-unsur kimia yang sama yang ditemukan di Bumi. Sangat mengherankan bahwa helium awalnya ditemukan di Matahari dan baru kemudian ditemukan di atmosfer Bumi. Nama elemen ini mengingat sejarah penemuannya: kata helium berarti "cerah" dalam terjemahan.
Karena kesederhanaan dan keserbagunaannya yang komparatif, analisis spektral adalah metode utama untuk memantau komposisi zat dalam metalurgi, teknik mesin, dan industri nuklir. Dengan bantuan analisis spektral, komposisi kimia bijih dan mineral ditentukan.
Komposisi campuran kompleks, terutama organik, dianalisis dengan spektrum molekulnya.
Analisis spektral dapat dilakukan tidak hanya dari spektrum emisi, tetapi juga dari spektrum serapan. Garis-garis serapan dalam spektrum Matahari dan bintang-bintang yang memungkinkan untuk mempelajari komposisi kimia benda-benda langit ini. Permukaan Matahari yang bercahaya terang - fotosfer - memberikan spektrum kontinu. atmosfer matahari selektif menyerap cahaya dari fotosfer, yang mengarah pada munculnya garis penyerapan dengan latar belakang spektrum kontinu fotosfer.
Tapi atmosfer Matahari memancarkan cahaya. Selama gerhana matahari, Kapan piringan surya ditutup oleh Bulan, garis-garis spektrum dibalik. Alih-alih garis penyerapan dalam spektrum matahari, garis emisi berkedip.
Dalam astrofisika, analisis spektral dipahami tidak hanya untuk menentukan komposisi kimia bintang, awan gas, dll., tetapi juga untuk menemukan banyak lainnya. karakter fisik benda-benda ini: suhu, tekanan, kecepatan, induksi magnetik.
Selain astrofisika, analisis spektral banyak digunakan dalam forensik, untuk menyelidiki bukti yang ditemukan di TKP. Juga, analisis spektral dalam ilmu forensik membantu untuk menentukan senjata pembunuhan dan, secara umum, untuk mengungkapkan beberapa rincian kejahatan.
Analisis spektral digunakan bahkan lebih luas dalam pengobatan. Di sini penerapannya sangat luas. Ini dapat digunakan untuk mendiagnosis, serta untuk menentukan zat asing dalam tubuh manusia.
Analisis spektral memerlukan instrumen spektral khusus, yang akan kami pertimbangkan lebih lanjut.
Perangkat spektral.
Untuk studi spektrum yang akurat, perangkat sederhana seperti celah sempit yang membatasi berkas cahaya dan prisma tidak lagi memadai. Diperlukan instrumen yang memberikan spektrum yang jelas, yaitu instrumen yang memisahkan gelombang dengan panjang gelombang yang berbeda dengan baik dan tidak memungkinkan tumpang tindih. bagian individu spektrum. Perangkat semacam itu disebut perangkat spektral. Paling sering, bagian utama dari peralatan spektral adalah prisma atau kisi difraksi.
Pertimbangkan skema perangkat peralatan spektral prisma. Radiasi yang dipelajari pertama-tama memasuki bagian perangkat yang disebut kolimator. Kolimator adalah tabung, di salah satu ujungnya ada layar dengan celah sempit, dan di ujung lainnya - lensa konvergen. Kesenjangannya ada Focal length dari lensa. Oleh karena itu, seberkas sinar divergen yang masuk ke lensa dari celah keluar dalam berkas sejajar dan jatuh pada prisma.
Karena frekuensi yang berbeda sesuai berbagai indikator pembiasan, maka sinar sejajar muncul dari prisma, tidak searah. Mereka jatuh pada lensa. Pada panjang fokus lensa ini adalah layar - kaca buram atau pelat fotografi. Lensa memfokuskan berkas sinar paralel pada layar, dan bukannya satu gambar celah, seluruh baris gambar-gambar. Setiap frekuensi (interval spektral sempit) memiliki citranya sendiri. Semua gambar ini bersama-sama membentuk spektrum.
Instrumen yang dijelaskan disebut spektrograf. Jika alih-alih lensa kedua dan layar, teleskop digunakan untuk pengamatan visual spektrum, maka perangkat itu disebut spektroskop. Prisma dan detail perangkat spektral lainnya tidak harus terbuat dari kaca. Alih-alih kaca, bahan transparan seperti kuarsa, garam batu, dll. juga digunakan.
Energi yang dikonsumsi tubuh bercahaya untuk radiasi, dapat diisi ulang dari berbagai sumber. Fosfor teroksidasi di udara bersinar karena energi yang dilepaskan selama transformasi kimia. Jenis cahaya ini disebut chemiluminescence.
Cahaya yang berasal dari berbagai jenis pelepasan gas independen disebut electroluminescence. Cahaya padatan yang disebabkan oleh pemboman mereka oleh elektron disebut katoda-luminium dan non-adegan. Emisi radiasi oleh suatu benda dengan panjang gelombang tertentu 1 karakteristiknya dapat disebabkan oleh penyinaran benda tersebut (atau telah disinari sebelumnya) dengan radiasi dengan panjang gelombang 2 yang kurang dari 1 . Proses tersebut digabungkan dengan nama photoluminescence.
Yang paling umum adalah cahaya tubuh karena pemanasannya. Jenis cahaya ini disebut radiasi termal (atau suhu). Radiasi termal terjadi pada suhu berapa pun, tetapi pada suhu rendah, praktis hanya gelombang elektromagnetik panjang (inframerah) yang dipancarkan.
Mari kita mengelilingi tubuh yang memancar dengan cangkang yang tidak dapat ditembus dengan permukaan yang memantulkan sempurna (Gbr. 154). Keluarkan udara dari cangkang. Radiasi yang dipantulkan oleh cangkang, yang jatuh ke tubuh, akan diserap olehnya (sebagian atau seluruhnya). Akibatnya, akan ada pertukaran energi yang terus menerus antara tubuh dan radiasi yang mengisi cangkang. Jika distribusi energi antara tubuh dan radiasi tetap tidak berubah untuk setiap panjang gelombang, keadaan sistem radiasi tubuh akan berada dalam keseimbangan. Pengalaman menunjukkan bahwa satu-satunya jenis radiasi yang dapat berada dalam kesetimbangan dengan benda yang memancar adalah radiasi termal. Semua jenis radiasi lainnya adalah non-ekuilibrium.
Kemampuan radiasi termal untuk berada dalam kesetimbangan dengan benda-benda yang memancar disebabkan oleh fakta bahwa intensitasnya meningkat dengan meningkatnya suhu. Mari kita asumsikan bahwa keseimbangan antara tubuh dan radiasi (lihat Gambar 1) terganggu dan tubuh mengeluarkan lebih banyak energi daripada yang diserapnya. Kemudian energi internal tubuh akan berkurang, yang akan menyebabkan penurunan suhu. Hal ini, pada gilirannya, akan menyebabkan penurunan jumlah energi yang dipancarkan oleh tubuh. Suhu tubuh akan menurun hingga jumlah energi yang dikeluarkan tubuh menjadi sama dengan jumlah energi yang diserap. Jika keseimbangan terganggu ke arah lain, yaitu jumlah energi yang dipancarkan kurang dari yang diserap, suhu tubuh akan meningkat sampai keseimbangan tercapai kembali. Dengan demikian, ketidakseimbangan dalam sistem radiasi tubuh menyebabkan terjadinya proses yang mengembalikan keseimbangan tersebut.
Situasinya berbeda dalam kasus jenis pendaran apa pun. Mari kita tunjukkan ini pada contoh chemiluminescence. Selama reaksi kimia yang menyebabkan radiasi berlangsung, benda yang memancar bergerak semakin jauh dari keadaan semula. Penyerapan radiasi oleh tubuh tidak akan mengubah arah reaksi, tetapi sebaliknya akan menyebabkan reaksi yang lebih cepat (karena pemanasan) ke arah semula. Kesetimbangan akan terbentuk hanya ketika seluruh pasokan zat yang bereaksi habis dan pendaran akibat proses kimia digantikan oleh radiasi termal.
Jadi, dari semua jenis radiasi, hanya radiasi termal yang dapat berada dalam kesetimbangan. Hukum termodinamika berlaku untuk keadaan dan proses kesetimbangan. Akibatnya, radiasi termal juga harus mematuhi beberapa hukum umum yang timbul dari prinsip-prinsip termodinamika. Dengan mempertimbangkan keteraturan inilah kita berpaling.
Anda juga dapat menemukan informasi menarik di mesin pencari ilmiah Otvety.Online. Gunakan formulir pencarian:
