Na natureza, sabe-se há muito tempo que a radiação é diferente de todos os tipos conhecidos de radiação (radiação térmica, reflexão, dispersão de luz, etc.). Esta radiação é a radiação luminescente, exemplos disso são o brilho dos corpos quando são irradiados com luz visível, ultravioleta e raios X, radiação , etc. Substâncias capazes de brilhar sob a ação de vários tipos de excitações são chamadas fósforos.

Luminescência- radiação fora de equilíbrio, excesso a uma determinada temperatura sobre a radiação térmica do corpo e com duração superior ao período das oscilações da luz. A primeira parte desta definição leva à conclusão de que a luminescência não é radiação térmica (ver § 197), pois qualquer corpo a uma temperatura acima de 0 K irradia ondas eletromagnéticas, e tal radiação é térmica. A segunda parte mostra que a luminescência não é um tipo de brilho como reflexão e dispersão da luz, bremsstrahlung de partículas carregadas, etc. O período de oscilação da luz é de aproximadamente 10 -15 s, então a duração pela qual o brilho pode ser luminescência é mais longa - aproximadamente 10 -10 s. sinal

A duração do brilho permite distinguir a luminescência de outros processos fora do equilíbrio. Assim, com base nessa característica, foi possível estabelecer que a radiação Vavilov-Cherenkov (ver §189) não pode ser atribuída à luminescência.

Dependendo dos métodos de excitação, existem: fotoluminescência(sob a influência da luz), luminescência de raios-x(sob a influência de raios-x), catodoluminescência(sob a influência de elétrons), eletroluminescência(sob a ação de um campo elétrico), radioluminescência(quando excitado por radiação nuclear, por exemplo, radiação , nêutrons, prótons), quimioluminescência(durante transformações químicas), triboluminescência(ao esfregar e dividir alguns cristais, como o açúcar). De acordo com a duração do brilho, distinga condicionalmente: fluorescência(t10 -8 s) e fosforescência- um brilho que continua por um período de tempo perceptível após a cessação da excitação.

O primeiro estudo quantitativo de luminescência foi realizado há mais de cem anos. J. Stokes, que formulou a seguinte regra em 1852: o comprimento de onda da radiação luminescente é sempre maior que o comprimento de onda da luz que a excitou (Fig. 326). Do ponto de vista quântico, a regra de Stokes significa que a energia hv fóton incidente é parcialmente gasto em alguns processos não ópticos, ou seja,

hv=hvlum +E,

de onde v lum , que decorre da regra formulada.

A principal característica energética da luminescência é tomada de energia, introduzido por S. I. Vavilov em 1924 - a razão entre a energia emitida pelo fósforo durante a iluminação total e a energia absorvida por ele. Típico para luminóforos orgânicos (no exemplo de uma solução de fluoresceína) a dependência do rendimento de energia  no comprimento de onda  da luz excitante é mostrada na fig. 327. Segue-se da figura que inicialmente  cresce na proporção de , e então, atingindo seu valor máximo, rapidamente cai para zero com um novo aumento Para(lei de Vavilov). O rendimento de energia para diferentes fósforos varia dentro de limites bastante amplos, seu valor máximo pode chegar a cerca de 80%.

Os sólidos, que são cristais efetivamente luminescentes preparados artificialmente com impurezas estranhas, são chamados de fósforos cristalinos. Usando o exemplo de fósforos de cristal, vamos considerar os mecanismos do aparecimento da luminescência do ponto de vista teoria da zona corpos sólidos. Entre a banda de valência e a banda de condução do cristal de fósforo estão os níveis de impureza do ativador (Fig. 328). No

Quando um fóton com energia hv é absorvido pelo átomo ativador, o elétron do nível de impureza é transferido para a banda de condução, move-se livremente pelo cristal até encontrar o íon ativador e se recombinar com ele, passando novamente para o nível de impureza. A recombinação é acompanhada pela emissão de um quantum luminescente de luminescência. O tempo de brilho do fósforo é determinado pelo tempo de vida do estado excitado dos átomos ativadores, que geralmente não excede bilionésimos de segundo. Portanto, o brilho é de curta duração e desaparece quase imediatamente após a cessação da irradiação.

Para que um brilho de longo prazo (fosforescência) ocorra, o fósforo cristalino também deve conter centros de captura ou armadilhas para elétrons, que são níveis locais não preenchidos (por exemplo, Jl 1 e L 2) situados perto do fundo da banda de condução (Fig. 329). Eles podem ser formados por átomos de impureza, átomos em interstícios, etc. Sob a ação da luz, os átomos ativadores são excitados, ou seja, elétrons do nível de impureza passam para a banda de condução e ficam livres. No entanto, eles são capturados por armadilhas, perdendo sua mobilidade e, consequentemente, sua capacidade de se recombinar com o íon ativador. A liberação de um elétron de uma armadilha requer o gasto de uma certa energia, que os elétrons podem receber, por exemplo, de vibrações térmicas da rede. O elétron liberado da armadilha entra na banda de condução e se move através do cristal até ser recapturado pela armadilha ou se recombinar com o íon ativador.

Neste último caso, aparece um quantum de radiação luminescente. A duração deste processo é determinada pelo tempo de residência dos elétrons nas armadilhas.

O fenômeno da luminescência tem sido amplamente utilizado na prática, por exemplo analise luminescente - um método para determinar a composição de uma substância pelo seu brilho característico. Este método, sendo muito sensível (aproximadamente 10 -10 g/cm 3), permite detectar a presença de impurezas insignificantes e é utilizado nos melhores estudos em biologia, medicina, indústria alimentícia, etc. Detecção de falhas fluorescentes permite detectar as rachaduras mais finas na superfície de peças de máquinas e outros produtos (a superfície em estudo é coberta para isso com uma solução luminescente, que permanece nas rachaduras após a remoção).

Os fósforos são usados ​​em lâmpadas fluorescentes, são o meio ativo de geradores quânticos ópticos (ver § 233) e cintiladores (a serem discutidos abaixo), são usados ​​em conversores elétron-ópticos (ver § 169), são usados ​​para criar iluminação de emergência e camuflagem e para a fabricação de indicadores luminosos de diversos dispositivos.

radiação eletromagnética. Métodos de aplicação análise espectral.

Energia de radiação.

A fonte de luz deve consumir energia. A luz são ondas eletromagnéticas com comprimento de onda de 4 10-7 - 8 10-7 m. Ondas eletromagnéticas emitido em movimento rápido partículas carregadas. Essas partículas carregadas fazem parte dos átomos. Mas, sem saber como o átomo está organizado, nada confiável pode ser dito sobre o mecanismo da radiação. É apenas claro que não há luz dentro de um átomo, assim como não há som em uma corda de piano. Como uma corda que começa a soar somente após uma batida de martelo, os átomos dão luz à luz somente depois de serem excitados.
Para que um átomo irradie, ele precisa transferir energia. Ao irradiar, um átomo perde a energia que recebeu e, para o brilho contínuo de uma substância, é necessário um influxo de energia de fora para seus átomos.

radiação térmica. O tipo mais simples e comum de radiação é a radiação térmica, na qual as perdas de energia dos átomos para a emissão de luz são compensadas por energia movimento térmicoátomos ou (moléculas) corpo radiante.
NO início do XIX dentro. verificou-se que acima (em comprimento de onda) a parte vermelha do espectro luz visível a parte infravermelha do espectro é invisível aos olhos, e abaixo da parte violeta do espectro de luz visível está a parte ultravioleta invisível do espectro.
Comprimentos de onda radiação infra-vermelha estão dentro do intervalo de 3 10-4 a 7,6 10-7 m. propriedade característica esta radiação é sua ação térmica. A fonte de raios infravermelhos é qualquer corpo. A intensidade desta radiação é tanto maior quanto maior a temperatura do corpo. Quanto maior a temperatura do corpo, mais rápido os átomos se movem. Quando átomos rápidos (moléculas) colidem uns com os outros, alguns deles energia cinética transforma-se em energia de excitação dos átomos, que então emitem luz.

A radiação infravermelha é examinada usando termopares e bolômetros. O princípio de operação dos dispositivos de visão noturna é baseado no uso de radiação infravermelha.
A fonte de calor da radiação é o Sol, bem como uma lâmpada incandescente comum. A lâmpada é uma fonte muito conveniente, mas antieconômica. Apenas cerca de 12% da energia total liberada na lâmpada choque elétrico, é convertida em energia luminosa. A fonte de calor da luz é a chama. Os grãos de fuligem são aquecidos pela energia liberada durante a combustão do combustível e emitem luz.

Eletroluminescência. A energia necessária aos átomos para emitir luz também pode ser emprestada de fontes não térmicas. Ao descarregar em gases, o campo elétrico transmite uma grande energia cinética aos elétrons. Elétrons rápidos experimentam colisões com átomos. Parte da energia cinética dos elétrons vai para a excitação dos átomos. Átomos excitados emitem energia na forma de ondas de luz. Devido a isso, a descarga no gás é acompanhada por um brilho. Isso é eletroluminescência.

catodoluminescência. brilho sólidos causada por seu bombardeio com elétrons é chamada de catodoluminescência. As telas dos tubos de raios catódicos brilham devido à catodoluminescência.

Quimioluminescência. Para alguns reações químicas, acompanhando a liberação de energia, parte dessa energia é gasta diretamente na emissão de luz. A fonte de luz permanece fria (tem uma temperatura meio Ambiente). Este fenômeno é chamado de quimioluminescência.

Fotoluminescência. A luz que incide sobre uma substância é parcialmente refletida e parcialmente absorvida. A energia da luz absorvida na maioria dos casos causa apenas o aquecimento dos corpos. No entanto, alguns corpos começam a brilhar diretamente sob a ação da radiação incidente sobre eles. Isso é fotoluminescência.

A luz excita os átomos da matéria (aumenta-os energia interna), após o que eles são destacados por si mesmos. Por exemplo, as tintas luminosas, que cobrem muitas decorações de Natal, emitem luz após serem irradiadas. Fotoluminescência de sólidos, bem como propósito especial- fósforos (generalizados), podem estar não apenas no visível, mas também nas faixas ultravioleta e infravermelha. A luz emitida durante a fotoluminescência tem, via de regra, um comprimento de onda maior do que a luz que excita o brilho. Isso pode ser observado experimentalmente. Se um feixe de luz que passa por um filtro de luz violeta é direcionado para um recipiente com um fluorescente (corante orgânico), esse líquido começa a brilhar com luz verde-amarela, ou seja, luz de comprimento de onda maior que o da luz violeta.
O fenômeno da fotoluminescência é amplamente utilizado em lâmpadas fluorescentes. físico soviético S. I. Vavilov propôs cobrir superfície interior tubo de descarga com substâncias capazes de brilhar sob a ação da radiação de ondas curtas descarga de gás.

Distribuição de energia no espectro.

Nenhuma das fontes fornece luz monocromática, ou seja, luz de comprimento de onda estritamente definido. Estamos convencidos disso por experimentos sobre a decomposição da luz em um espectro com a ajuda de um prisma, bem como experimentos sobre interferência e difração.
A energia que a luz da fonte carrega consigo é distribuída de certa forma pelas ondas de todos os comprimentos de onda que compõem o feixe de luz. Também podemos dizer que a energia é distribuída em frequências, pois existe uma relação simples entre comprimento de onda e frequência: ђv = c.
A densidade ou intensidade do fluxo de radiação eletromagnética é determinada pela energia atribuível a todas as frequências. Para caracterizar a distribuição da radiação nas frequências, é necessário introduzir um novo valor: a intensidade por unidade de intervalo de frequência. Este valor é chamado de densidade espectral da intensidade de radiação.

Você não pode confiar no olho ao estimar a distribuição de energia. O olho tem uma sensibilidade seletiva à luz: o máximo de sua sensibilidade está na região amarelo-esverdeada do espectro. É melhor aproveitar a propriedade de um corpo negro de absorver quase completamente a luz de todos os comprimentos de onda. Neste caso, a energia da radiação (isto é, a luz) causa o aquecimento do corpo. Portanto, é suficiente medir a temperatura do corpo e usá-la para julgar a quantidade de energia absorvida por unidade de tempo.
Um termômetro comum é muito sensível para ser usado com sucesso em tais experimentos. São necessários instrumentos de medição de temperatura mais sensíveis. Você pode pegar um termômetro elétrico, no qual elemento de detecção feito na forma de uma placa de metal fina. Esta placa deve ser coberta com uma fina camada de fuligem, que absorve quase completamente a luz de qualquer comprimento de onda.
A placa sensível ao calor do instrumento deve ser colocada em um lugar ou outro no espectro. Tudo espectro visível o comprimento l dos raios vermelhos ao violeta corresponde à faixa de frequência de IR a UV. A largura corresponde a um pequeno intervalo Av. Ao aquecer a placa preta do dispositivo, pode-se julgar a densidade do fluxo de radiação por intervalo de frequência Av. Movendo a placa ao longo do espectro, descobrimos que o máximo de a energia cai na parte vermelha do espectro, e não no verde-amarelo, como parece aos olhos.
Com base nos resultados desses experimentos, é possível traçar a dependência da densidade espectral da intensidade de radiação em relação à frequência. A densidade espectral da intensidade de radiação é determinada pela temperatura da placa, e a frequência não é difícil de encontrar se o dispositivo usado para decompor a luz estiver calibrado, ou seja, se for conhecida a que frequência corresponde a determinada seção do espectro para.
Traçando ao longo do eixo das abcissas os valores das frequências correspondentes aos pontos médios dos intervalos Av, e ao longo do eixo das ordenadas a densidade espectral da intensidade de radiação, obtemos uma série de pontos através dos quais uma curva suave pode ser traçada. Esta curva dá uma representação visual da distribuição de energia e da parte visível do espectro de um arco elétrico.

Tipos de espectros.

Composição espectral da radiação várias substâncias muito variado. Mas, apesar disso, todos os espectros, como mostra a experiência, podem ser divididos em três tipos que diferem entre si.

Espectros contínuos.

O espectro solar ou espectro de luz do arco é contínuo. Isso significa que todos os comprimentos de onda são representados no espectro. Não há descontinuidades no espectro, e uma banda multicolorida contínua pode ser vista na tela do espectrógrafo.
Distribuição de energia sobre frequências, ou seja, densidade espectral de intensidade de radiação, para vários corpos diferente. Por exemplo, um corpo com uma superfície muito preta emite ondas eletromagnéticas de todas as frequências, mas a densidade espectral da curva de intensidade de radiação versus frequência tem um máximo em uma determinada frequência. A energia de radiação atribuível a frequências muito pequenas e muito altas é insignificante. À medida que a temperatura aumenta, a densidade espectral máxima da radiação muda para ondas curtas.
Espectros contínuos (ou contínuos), como mostra a experiência, dão corpos que estão em estado sólido ou Estado líquido e gases altamente comprimidos. Para obter um espectro contínuo, você precisa aquecer o corpo a uma temperatura alta.
A natureza do espectro contínuo e o próprio fato de sua existência são determinados não apenas pelas propriedades dos átomos radiantes individuais, mas também em grau forte depende da interação dos átomos entre si.
Um espectro contínuo também é produzido pelo plasma de alta temperatura. As ondas eletromagnéticas são emitidas pelo plasma principalmente quando os elétrons colidem com os íons.

Espectros de linha.

Vamos introduzir na chama pálida de um bico de gás um pedaço de amianto umedecido com uma solução de sal de mesa. Ao observar uma chama através de um espectroscópio, uma linha amarela brilhante pisca contra o fundo de um espectro contínuo mal distinguível da chama. Esta linha amarela é dada pelo vapor de sódio, que é formado durante a divisão das moléculas de cloreto de sódio em uma chama. No espectroscópio, pode-se ver também uma paliçada de linhas coloridas de brilho variável, separadas por largas faixas escuras. Esses espectros são chamados de espectros de linha. Disponibilidade espectro de linha significa que a substância emite luz apenas em comprimentos de onda bem definidos (mais precisamente, em certos intervalos espectrais muito estreitos). Cada uma das linhas tem uma largura finita.
Os espectros de linha ocorrem apenas em substâncias no estado atômico (mas não moleculares). Nesse caso, a luz é emitida por átomos que praticamente não interagem entre si. Este é o tipo de espectro mais fundamental e básico. A principal propriedade dos espectros de linha é que átomos isolados de um determinado elemento químico emitem sequências de comprimentos de onda estritamente definidas e não repetidas. Dois vários elementos não existe uma sequência única de comprimentos de onda. As bandas espectrais aparecem na saída de um dispositivo espectral no lugar do comprimento de onda que é emitido da fonte. Normalmente, para observar espectros de linha, utiliza-se o brilho dos vapores de uma substância em uma chama ou o brilho de uma descarga de gás em um tubo preenchido com o gás em estudo.
Com o aumento da densidade de um gás atômico, as linhas espectrais individuais se expandem e, finalmente, alta densidade gás, quando a interação dos átomos se torna significativa, essas linhas se sobrepõem formando um espectro contínuo.

Espectros listrados.

O espectro listrado consiste em bandas individuais separadas por lacunas escuras. Com a ajuda de um aparato espectral muito bom, pode-se descobrir que cada banda é uma coleção um grande número linhas muito espaçadas. Ao contrário dos espectros de linha, os espectros de faixa são criados não por átomos, mas por moléculas que não estão ligadas ou fracamente ligadas. amigo vinculado com amigo.
Para observar espectros moleculares, bem como para observar espectros de linha, geralmente se usa o brilho de vapores em uma chama ou o brilho de uma descarga de gás.

Espectros de emissão e absorção.

Todas as substâncias cujos átomos estão em Estado de excitação, irradiar ondas de luz, cuja energia é distribuída de uma certa maneira ao longo dos comprimentos de onda. A absorção de luz por uma substância também depende do comprimento de onda. Assim, o vidro vermelho transmite ondas correspondentes à luz vermelha (l»8 10-5 cm) e absorve todo o resto.
Se pular luz branca através de um gás frio e não radiante, linhas escuras aparecem no fundo do espectro contínuo da fonte. O gás absorve mais intensamente a luz precisamente dos comprimentos de onda que emite quando está muito quente. As linhas escuras contra o fundo do espectro contínuo são as linhas de absorção, que juntas formam o espectro de absorção.
Existem espectros de emissão contínuos, de linha e listrados e o mesmo número de espectros de absorção.

Análise espectral e sua aplicação.

É importante saber do que são feitos os corpos ao nosso redor. Muitos métodos foram desenvolvidos para determinar sua composição. Mas a composição de estrelas e galáxias só pode ser conhecida com a ajuda da análise espectral.

O método de determinar a composição qualitativa e quantitativa de uma substância pelo seu espectro é chamado de análise espectral. A análise espectral é amplamente utilizada na busca de minerais para determinar composição química amostras de minério. Na indústria, a análise espectral permite controlar as composições de ligas e impurezas introduzidas em metais para obter materiais com propriedades desejadas. Os espectros de linha jogam especialmente papel importante, porque sua estrutura está diretamente relacionada à estrutura do átomo. Afinal, esses espectros são criados por átomos que não sofrem influências externas. Portanto, conhecendo os espectros de linha, damos o primeiro passo para estudar a estrutura dos átomos. Ao observar esses espectros, os cientistas foram capazes de "olhar" dentro do átomo. Aqui, a óptica entra em contato próximo com a física atômica.
A principal propriedade dos espectros de linha é que os comprimentos de onda (ou frequências) do espectro de linha de uma substância dependem apenas das propriedades dos átomos dessa substância, mas são completamente independentes do método de excitação da luminescência dos átomos. Os átomos de qualquer elemento químico emitem um espectro diferente dos espectros de todos os outros elementos: eles são capazes de emitir um conjunto estritamente definido de comprimentos de onda.
A análise espectral é baseada nisso - um método para determinar a composição química de uma substância a partir de seu espectro.

Como as impressões digitais humanas, os espectros de linha têm uma personalidade única. A singularidade dos padrões na pele do dedo geralmente ajuda a encontrar o criminoso. Da mesma forma, devido à individualidade dos espectros, é possível determinar a composição química do corpo. Usando a análise espectral, você pode detectar esse elemento na composição substância complexa, mesmo que sua massa não exceda 10-10. Este é um método muito sensível.
O estudo do espectro de linhas de uma substância permite determinar a partir de qual elementos químicos consiste e em que quantidade cada elemento está contido nessa substância.
O teor quantitativo do elemento na amostra em estudo é determinado pela comparação da intensidade das linhas individuais do espectro desse elemento com a intensidade das linhas de outro elemento químico, cujo teor quantitativo na amostra é conhecido.
A análise quantitativa da composição de uma substância pelo seu espectro é difícil, pois o brilho linhas espectrais depende não apenas da massa da substância, mas também do método de excitação do brilho. Sim, em Baixas temperaturas muitas linhas espectrais não aparecem. No entanto, sob condições padrão para a excitação da luminescência, uma análise espectral quantitativa também pode ser realizada.
As vantagens da análise espectral são alta sensibilidade e rapidez dos resultados. Com a ajuda da análise espectral, é possível detectar a presença de ouro em uma amostra pesando 6 10-7 g, enquanto sua massa é de apenas 10-8 g. A determinação do grau de aço por análise espectral pode ser realizada em várias dezenas de segundos.
A análise espectral permite determinar a composição química corpos celestiais bilhões de anos-luz de distância da Terra. A composição química das atmosferas de planetas e estrelas, gás frio no espaço interestelar é determinada por espectros de absorção.
Ao estudar os espectros, os cientistas foram capazes de determinar não apenas a composição química dos corpos celestes, mas também sua temperatura. O deslocamento das linhas espectrais pode ser usado para determinar a velocidade de um corpo celeste.

Atualmente, os espectros de todos os átomos foram determinados e as tabelas de espectros foram compiladas. Com a ajuda da análise espectral, muitos novos elementos foram descobertos: rubídio, césio e outros, os elementos eram frequentemente nomeados de acordo com a cor das linhas mais intensas do espectro. Rubídio dá linhas vermelhas escuras, rubi. A palavra césio significa "céu azul". Esta é a cor das linhas principais do espectro do césio.
Foi com a ajuda da análise espectral que eles aprenderam a composição química do Sol e das estrelas. Outros métodos de análise são geralmente impossíveis aqui. Descobriu-se que as estrelas são compostas pelos mesmos elementos químicos encontrados na Terra. É curioso que o hélio tenha sido originalmente descoberto no Sol e só então encontrado na atmosfera da Terra. O nome desse elemento lembra a história de sua descoberta: a palavra hélio significa "ensolarado" na tradução.
Devido à sua simplicidade comparativa e versatilidade, a análise espectral é o principal método para monitorar a composição de uma substância em metalurgia, engenharia mecânica e indústria nuclear. Com a ajuda da análise espectral, a composição química de minérios e minerais é determinada.
A composição de misturas complexas, principalmente orgânicas, é analisada por seus espectros moleculares.
A análise espectral pode ser realizada não apenas a partir de espectros de emissão, mas também de espectros de absorção. São as linhas de absorção no espectro do Sol e das estrelas que permitem estudar a composição química desses corpos celestes. A superfície brilhantemente luminosa do Sol - a fotosfera - dá um espectro contínuo. atmosfera solar absorve seletivamente a luz da fotosfera, o que leva ao aparecimento de linhas de absorção no fundo do espectro contínuo da fotosfera.
Mas a própria atmosfera do Sol emite luz. No decorrer eclipses solares, quando disco solar fechado pela Lua, as linhas do espectro são invertidas. Em vez de linhas de absorção no espectro solar, linhas de emissão piscam.
Em astrofísica, a análise espectral é entendida não apenas para determinar a composição química de estrelas, nuvens de gás, etc., mas também para encontrar muitos outros características físicas esses objetos: temperatura, pressão, velocidade, indução magnética.
Além da astrofísica, a análise espectral é amplamente utilizada na área forense, para investigar evidências encontradas em uma cena de crime. Além disso, a análise espectral em perícia ajuda a determinar a arma do crime e, em geral, a revelar alguns detalhes do crime.
A análise espectral é usada ainda mais amplamente na medicina. Aqui sua aplicação é muito ampla. Ele pode ser usado para diagnosticar, bem como para determinar substâncias estranhas no corpo humano.
A análise espectral requer instrumentos espectrais especiais, que consideraremos mais adiante.

Dispositivos espectrais.

Para um estudo preciso dos espectros, dispositivos simples como uma fenda estreita que limita o feixe de luz e um prisma não são mais suficientes. São necessários instrumentos que forneçam um espectro claro, ou seja, instrumentos que separem bem as ondas vários comprimentos e não sobrepostos seções individuais espectro. Esses dispositivos são chamados de dispositivos espectrais. Na maioria das vezes, a parte principal do aparelho espectral é um prisma ou rede de difração.
Considere o esquema do dispositivo do aparelho espectral do prisma. A radiação estudada entra primeiro na parte do dispositivo chamada colimador. O colimador é um tubo, em uma extremidade do qual há uma tela com uma fenda estreita e na outra - uma lente convergente. A lacuna está ligada comprimento focal da lente. Portanto, um feixe de luz divergente que entra na lente pela fenda sai dela em um feixe paralelo e cai no prisma.
Como frequências diferentes correspondem a diferentes índices de refração, então feixes paralelos emergem do prisma, não coincidindo em direção. Eles caem na lente. Na distância focal desta lente há uma tela - vidro fosco ou chapa fotográfica. A lente focaliza feixes de raios paralelos na tela e, em vez de uma única imagem da fenda, linha inteira imagens. Cada frequência (intervalo espectral estreito) tem sua própria imagem. Todas essas imagens juntas formam um espectro.
O instrumento descrito é chamado de espectrógrafo. Se, em vez de uma segunda lente e uma tela, um telescópio for usado para observação visual de espectros, o dispositivo será chamado de espectroscópio. Prismas e outros detalhes de dispositivos espectrais não são necessariamente feitos de vidro. Em vez de vidro, também são usados ​​materiais transparentes como quartzo, sal-gema, etc.

Radiação térmica e luminescência.

Energia consumida corpo luminoso para radiação, pode ser reabastecido de várias fontes. O fósforo oxidado no ar brilha devido à energia liberada durante transformação química. Esse tipo de luz é chamado de quimioluminescência. O brilho que vem Vários tipos descarga de gás independente é chamada de eletroluminescência. O brilho de sólidos causado por seu bombardeio com elétrons é chamado de catodoluminescência. Emissão de radiação por um corpo de um determinado comprimento de onda característico dele λ 1 pode ser causado por irradiar este corpo (ou tê-lo irradiado anteriormente) com radiação de um comprimento de onda λ 1 menos que λ 2. Tais processos são combinados sob o nome de fotoluminescência (A luminescência é chamada de radiação, excesso sobre a radiação térmica do corpo a uma determinada temperatura e com duração que excede significativamente o período das ondas emitidas. Substâncias luminescentes são chamadas de fósforos. ).

Figura 8. 1 Quimioluminescência

Figura 8. 2 Fotoluminescência

Figura 8. 3 Eletroluminescência.

O mais comum é o brilho dos corpos devido ao seu aquecimento. Esse tipo de brilho é chamado de radiação térmica (ou temperatura). A radiação térmica ocorre em qualquer temperatura, no entanto, em baixas temperaturas, praticamente apenas ondas eletromagnéticas longas (infravermelhas) são emitidas.

Vamos cercar o corpo radiante com uma concha impenetrável com uma superfície perfeitamente refletora (Fig.).

A radiação, incidindo sobre o corpo, será absorvida por ele (parcial ou completamente). Consequentemente, haverá uma troca contínua de energia entre o corpo e a radiação que preenche a casca. Se a distribuição de energia entre o corpo e a radiação permanecer inalterada para cada comprimento de onda, o estado do sistema corpo-radiação estará em equilíbrio. A experiência mostra que o único tipo de radiação que pode estar em equilíbrio com os corpos radiantes é a radiação térmica. Todos os outros tipos de radiação não estão em equilíbrio.

A capacidade da radiação térmica estar em equilíbrio com os corpos radiantes se deve ao fato de que sua intensidade aumenta com o aumento da temperatura. Vamos supor que o equilíbrio entre o corpo e a radiação (veja a Fig.) seja violado e o corpo emite mais energia do que absorve.

Então a energia interna do corpo diminuirá, o que levará a uma diminuição da temperatura. Isso, por sua vez, causará uma diminuição na quantidade de energia emitida pelo corpo. A temperatura do corpo diminuirá até que a quantidade de energia irradiada pelo corpo se torne igual ao número energia absorvida. Se o equilíbrio for perturbado na outra direção, ou seja, a quantidade de energia irradiada for menor que a absorvida, a temperatura do corpo aumentará até que o equilíbrio seja restabelecido. Assim, um desequilíbrio no sistema corpo-radiação provoca a ocorrência de processos que restauram o equilíbrio.

A situação é diferente no caso de qualquer um dos tipos de luminescência. Vamos mostrar isso no exemplo da quimioluminescência. Enquanto a reação química que causa a radiação prossegue, o corpo radiante se afasta cada vez mais de seu estado original. A absorção da radiação pelo corpo não mudará a direção da reação, mas, ao contrário, levará a uma reação mais rápida (devido ao aquecimento) na direção original. O equilíbrio será estabelecido somente quando todo o suprimento de substâncias reagentes e Luminescência estiver esgotado.

condicionado processos químicos, será substituído por radiação térmica.

Assim, de todos os tipos de radiação, apenas a radiação térmica pode estar em equilíbrio. As leis da termodinâmica se aplicam a estados e processos de equilíbrio. Consequentemente, a radiação térmica também deve obedecer a algumas padrões gerais decorrente dos princípios da termodinâmica. É para a consideração dessas regularidades que nos voltamos.

8.2 Lei de Kirchhoff.

Vamos apresentar algumas características da radiação térmica.

Fluxo de energia (qualquer frequência), emitida por uma superfície unitária de um corpo radiante por unidade de tempo em todas as direções(dentro de um ângulo sólido 4π), chamado luminosidade energética do corpo (R) [R] = W/m2 .

A radiação consiste em ondas de diferentes frequências (ν). Vamos denotar o fluxo de energia emitido por uma superfície unitária do corpo na faixa de frequência de ν a ν + dv, através de d R v. Então nessa temperatura.

Onde - densidade espectral luminosidade de energia, ou emissividade do corpo .

A experiência mostra que a emissividade de um corpo depende da temperatura do corpo (para cada temperatura, a radiação máxima está em sua própria faixa de frequência). Dimensão .

Conhecendo a emissividade, podemos calcular luminosidade de energia:

Deixe um fluxo de energia radiante dФ cair em uma área elementar da superfície do corpo, devido a ondas eletromagnéticas, cujas frequências estão contidas no intervalo dν. Parte desse fluxo será absorvido pelo corpo. Adimensional

chamado capacidade de absorção do organismo . Também depende fortemente da temperatura.

Por definição, não pode ser maior que um. Para um corpo que absorve completamente a radiação de todas as frequências, . Tal corpo é chamado absolutamente preto (isso é uma idealização).

O corpo para o qual e menos de um para todas as frequências,chamado corpo cinza (isso também é uma idealização).

Existe uma certa relação entre a capacidade de emissão e absorção do corpo. Vamos mentalmente realizar o seguinte experimento.

Sejam três corpos dentro de uma casca fechada. Os corpos estão no vácuo, portanto, a troca de energia só pode ocorrer devido à radiação. A experiência mostra que depois de algum tempo tal sistema chegará a um estado de equilíbrio térmico (todos os corpos e a casca terão a mesma temperatura).

Nesse estado, o corpo, que tem maior capacidade radiativa, perde por unidade de tempo e mais energia, mas, portanto, este corpo também deve ter uma maior capacidade de absorção:

Gustav Kirchhoff em 1856 formulou lei e sugeriu modelo de corpo negro .

A razão de emissividade para absortividade não depende da natureza do corpo, é a mesma para todos os corpos.(universal)função de frequência e temperatura.

onde f(- função genérica Kirchhoff.

Esta função tem um caráter universal ou absoluto.

As quantidades e , tomadas separadamente, podem mudar muito fortemente ao passar de um corpo para outro, mas sua razão constantemente para todos os corpos (a uma dada frequência e temperatura).

Para um corpo absolutamente preto , =1 , portanto, para ele f( , ou seja. A função universal de Kirchhoff nada mais é do que o brilho de um corpo completamente negro.

Corpos absolutamente negros não existem na natureza. Fuligem ou preto platina têm poder de absorção, 1, mas apenas em uma faixa de frequência limitada. No entanto, uma cavidade com uma pequena abertura é muito próxima em suas propriedades de um corpo completamente preto. O feixe que entrou, após múltiplas reflexões, é necessariamente absorvido, e o feixe de qualquer frequência.

A emissividade de tal dispositivo (cavidade) é muito próxima de f(ν ,T). Assim, se as paredes da cavidade forem mantidas a uma temperatura T, então a radiação emitida pelo buraco está muito próxima composição espectralà radiação de corpo negro à mesma temperatura.

Expandindo esta radiação em um espectro, pode-se encontrar vista experimental funções f(ν ,T) (Fig. 1.3), com temperaturas diferentes T 3 > T 2 > T 1 .

A área coberta pela curva fornece a luminosidade energética de um corpo negro na temperatura apropriada.

Essas curvas são as mesmas para todos os corpos.

As curvas são semelhantes à função de distribuição de velocidade das moléculas. Mas lá, as áreas cobertas pelas curvas são constantes, enquanto aqui, com o aumento da temperatura, a área aumenta significativamente. Isso sugere que a compatibilidade de energia é altamente dependente da temperatura. Radiação máxima (emissividade) com o aumento da temperatura está mudando para frequências mais altas.

A energia gasta por um corpo luminoso para radiação pode ser reabastecida de várias fontes. O fósforo oxidado no ar brilha devido à energia liberada durante a transformação química. Esse tipo de luz é chamado de quimioluminescência.

O brilho que ocorre durante vários tipos de descarga de gás independente é chamado de eletroluminescência. O brilho de sólidos causado por seu bombardeio por elétrons é chamado de cátodo-lumínio e não-cena. A emissão de radiação por um corpo de um certo comprimento de onda λ 1 característico dele pode ser causada pela irradiação deste corpo (ou tendo irradiado previamente) com radiação de um comprimento de onda λ 2 menor que λ 1 . Tais processos são combinados sob o nome de fotoluminescência.

O mais comum é o brilho dos corpos devido ao seu aquecimento. Esse tipo de brilho é chamado de radiação térmica (ou temperatura). A radiação térmica ocorre em qualquer temperatura, no entanto, em baixas temperaturas, praticamente apenas ondas eletromagnéticas longas (infravermelhas) são emitidas.

Envolvamos o corpo radiante com uma concha impenetrável de superfície perfeitamente refletora (Fig. 154). Retire o ar da casca. A radiação refletida pela concha, incidindo sobre o corpo, será absorvida por ela (parcial ou completamente). Consequentemente, haverá uma troca contínua de energia entre o corpo e a radiação que preenche a casca. Se a distribuição de energia entre o corpo e a radiação permanecer inalterada para cada comprimento de onda, o estado do sistema corpo-radiação estará em equilíbrio. A experiência mostra que o único tipo de radiação que pode estar em equilíbrio com os corpos radiantes é a radiação térmica. Todos os outros tipos de radiação não estão em equilíbrio.

A capacidade da radiação térmica estar em equilíbrio com os corpos radiantes se deve ao fato de que sua intensidade aumenta com o aumento da temperatura. Vamos supor que o equilíbrio entre o corpo e a radiação (veja a Fig. 1) seja perturbado e o corpo emite mais energia do que absorve. Então a energia interna do corpo diminuirá, o que levará a uma diminuição da temperatura. Isso, por sua vez, causará uma diminuição na quantidade de energia emitida pelo corpo. A temperatura do corpo diminuirá até que a quantidade de energia emitida pelo corpo se torne igual à quantidade de energia absorvida. Se o equilíbrio for perturbado na outra direção, ou seja, a quantidade de energia irradiada for menor que a absorvida, a temperatura do corpo aumentará até que o equilíbrio seja restabelecido. Assim, um desequilíbrio no sistema corpo-radiação provoca a ocorrência de processos que restauram o equilíbrio.

A situação é diferente no caso de qualquer um dos tipos de luminescência. Vamos mostrar isso no exemplo da quimioluminescência. Enquanto a reação química que causa a radiação prossegue, o corpo radiante se afasta cada vez mais de seu estado original. A absorção da radiação pelo corpo não mudará a direção da reação, mas, ao contrário, levará a uma reação mais rápida (devido ao aquecimento) na direção original. O equilíbrio só será estabelecido quando todo o suprimento de substâncias reagentes for esgotado e a luminescência devida aos processos químicos for substituída pela radiação térmica.

Assim, de todos os tipos de radiação, apenas a radiação térmica pode estar em equilíbrio. As leis da termodinâmica se aplicam a estados e processos de equilíbrio. Consequentemente, a radiação térmica também deve obedecer a algumas leis gerais decorrentes dos princípios da termodinâmica. É para a consideração dessas regularidades que nos voltamos.

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>> Tipos de radiação. Fontes de luz

§ 80 TIPOS DE RADIAÇÕES. FONTES DE LUZ

A luz é um fluxo de ondas eletromagnéticas com comprimento de onda de 4 10 -7 -8 10 -7 m. As ondas eletromagnéticas são emitidas durante o movimento acelerado de partículas carregadas. Essas partículas carregadas fazem parte dos átomos que compõem a matéria. Mas, sem saber como o átomo está organizado, nada confiável pode ser dito sobre o mecanismo da radiação. É apenas claro que não há luz dentro de um átomo, assim como não há som em uma corda de piano. Como uma corda que começa a soar somente após o golpe de um martelo, os átomos só podem "dar à luz" a luz depois de serem excitados.

Para que um átomo comece a irradiar, ele precisa transferir uma certa quantidade de energia. Ao irradiar, o átomo perde a energia que recebeu e, para o brilho contínuo da substância, é necessário um influxo de energia de fora para seus átomos.

Radiação térmica. O tipo mais simples e comum de radiação é a radiação térmica, na qual a perda de energia pelos átomos para a emissão de luz é compensada pela energia do movimento térmico do átomo (ou moléculas) do corpo radiante. A radiação térmica é a radiação de corpos aquecidos. Quanto maior a temperatura do tópico, mais rápido os átomos se movem nele. Quando átomos rápidos (ou moléculas) colidem uns com os outros, parte de sua energia cinética é usada para excitar átomos, que então emitem luz e passam para um estado não excitado.

As fontes térmicas de radiação são, por exemplo, o Sol e uma lâmpada incandescente comum. A lâmpada é uma fonte de luz muito conveniente, mas ineficiente. Apenas cerca de 12% de toda a energia liberada no filamento da lâmpada pela corrente elétrica é convertida em energia luminosa. Finalmente, uma chama também é uma fonte térmica de luz. Grãos de fuligem (partículas de combustível que não tiveram tempo de queimar) são aquecidos pela energia liberada durante a combustão do combustível e emitem luz.

Eletroluminescência. A energia necessária aos átomos para emitir luz também pode vir de fontes não térmicas. Ao descarregar em gases, o campo elétrico transmite uma grande energia cinética aos elétrons. Elétrons rápidos experimentam colisões inelásticas com átomos. Parte da energia cinética dos elétrons vai para a excitação dos átomos. Átomos excitados emitem energia na forma de ondas de luz. Como resultado, a descarga no gás é acompanhada por um brilho. Isso é eletroluminescência.

As luzes do norte também são uma manifestação de eletroluminescência. Fluxos de partículas carregadas emitidas pelo Sol são capturados campo magnético Terra. Eles excitam pólos magnéticos Os átomos da Terra são as camadas superiores da atmosfera, e é por isso que essas camadas brilham. O fenômeno da eletroluminescência é usado em tubos para inscrições publicitárias.

catodoluminescência. O brilho de sólidos causado por seu bombardeio com elétrons é chamado de catodoluminescência. Graças à catodoluminescência, as telas dos tubos de raios catódicos da TV brilham.

Quimioluminescência. Em algumas reações químicas que acompanham a liberação de energia, parte dessa energia é gasta diretamente na emissão de luz. A fonte de luz permanece fria (tem temperatura ambiente). Este fenômeno é chamado de quimioluminescência. Quase todos vocês provavelmente estão familiarizados com isso. No verão na floresta você pode ver um inseto - um vaga-lume à noite. Uma pequena "lanterna" verde "queima" em seu corpo. Você não vai queimar os dedos pegando um vaga-lume. Um ponto luminoso em suas costas tem quase a mesma temperatura que ar ambiente. Outros organismos vivos também têm a propriedade de brilhar: bactérias, insetos, muitos peixes que vivem em grandes profundidades. Muitas vezes, pedaços de madeira podre brilham no escuro.

Fotoluminescência. A luz que incide sobre uma substância é parcialmente refletida e parcialmente absorvida. A energia da luz absorvida na maioria dos casos causa apenas o aquecimento dos corpos. No entanto, alguns corpos começam a brilhar diretamente sob a ação da radiação incidente sobre eles. Isso é fotoluminescência. Leve excita os átomos da matéria (aumenta sua energia interna), e depois disso eles são destacados por si mesmos. Por exemplo, as tintas luminosas usadas para revestir as decorações de Natal emitem luz após serem irradiadas.

Vavilov Sergey Ivanovich (1891-1951)- Físico soviético, estado e figura pública, Presidente da Academia de Ciências da URSS em 1945-1951. Principal trabalhos científicos são dedicados à óptica física e principalmente à fotoluminescência. Sob sua liderança, foi desenvolvida uma tecnologia para fabricação de lâmpadas fluorescentes e desenvolvido um método para análise luminescente da composição química de substâncias. Sob sua liderança, P. A. Cherenkov abriu em 1934 emissão de luz elétrons movendo-se através de um meio a uma velocidade maior que a velocidade da luz nesse meio.

A luz emitida durante a fotoluminescência tem, via de regra, um comprimento de onda maior do que a luz que excita o brilho. Isso pode ser observado experimentalmente. Se um feixe de luz é direcionado para um recipiente com fluoresceína (corante orgânico), passa por um filtro de luz de campo f, então esse líquido começa a brilhar com luz verde-amarela, ou seja, luz com comprimento de onda maior que o do campo f leve.

O fenômeno da fotoluminescência é amplamente utilizado em lâmpadas fluorescentes. O físico soviético S.I. Vavilov propôs cobrir a superfície interna do tubo de descarga com substâncias capazes de brilhar sob a ação da radiação de ondas curtas de uma descarga de gás.

As lâmpadas fluorescentes são cerca de 3 a 4 vezes mais econômicas do que as lâmpadas incandescentes convencionais.

Dos principais tipos de radiação listados, o mais comum é a radiação térmica.

1. Que fontes de luz você conhece!
2. Que tipos de radiações o afetaram no dia anterior!

Myakishev G. Ya., Física. 11º ano: livro didático. para educação geral instituições: básico e perfil. níveis / G. Ya. Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; ed. V. I. Nikolaev, N. A. Parfenteva. - 17ª ed., revisada. e adicional - M.: Educação, 2008. - 399 p.: ll.

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