În natură, se știe de multă vreme radiația care diferă ca natură de toate tipurile cunoscute de radiații (radiație termică, reflexie, împrăștiere a luminii etc.). Această radiație este radiație luminiscentă, exemple dintre care sunt strălucirea corpurilor atunci când sunt iradiate cu vizibil, ultraviolet și raze X, -radiații etc. Substanțele capabile să strălucească sub acțiunea diferitelor tipuri de excitații se numesc fosfori.

Luminescență- radiatie de neechilibru, exces la o temperatura data fata de radiatia termica a corpului si avand o durata mai mare decat perioada oscilatiilor luminii. Prima parte a acestei definiții conduce la concluzia că luminiscența nu este radiație termică (vezi § 197), deoarece orice corp la o temperatură peste 0 K radiază unde electromagnetice, iar o astfel de radiație este termică. A doua parte arată că luminiscența nu este un astfel de tip de strălucire precum reflexia și împrăștierea luminii, bremsstrahlung de particule încărcate etc. luminiscența este mai lungă - aproximativ 10 -10 s. semn

Durata strălucirii face posibilă distingerea luminiscenței de alte procese de neechilibru. Astfel, pe baza acestei caracteristici, a fost posibil să se stabilească că radiația Vavilov-Cherenkov (vezi §189) nu poate fi atribuită luminiscenței.

În funcție de metodele de excitare, există: fotoluminiscență(sub influența luminii), luminescență cu raze X(sub influența razelor X), catodoluminiscenţă(sub influența electronilor), electroluminiscență(sub acțiunea unui câmp electric), radioluminescență(atunci când este excitat de radiații nucleare, de exemplu, radiații , neutroni, protoni), chemiluminiscenţă(în timpul transformărilor chimice), triboluminiscenţă(la frecarea si despicarea unor cristale, cum ar fi zaharul). În funcție de durata strălucirii, distingeți condiționat: fluorescenţă(t10 -8 s) și fosforescenţă- o strălucire care continuă pentru o perioadă de timp vizibilă după încetarea excitației.

Primul studiu cantitativ al luminiscenței a fost realizat acum peste o sută de ani. J. Stokes, care a formulat următoarea regulă în 1852: lungimea de undă a radiației luminiscente este întotdeauna mai mare decât lungimea de undă a luminii care a excitat-o ​​(Fig. 326). Din punct de vedere cuantic, regula lui Stokes înseamnă că energia hv fotonul incident este cheltuit parțial pe unele procese non-optice, de exemplu.

hv=hv lum +E,

de unde v lum , care rezultă din regula formulată.

Principala caracteristică energetică a luminiscenței este priza de energie, introdus de S. I. Vavilov în 1924 - raportul dintre energia emisă de fosfor în timpul iluminării complete și energia absorbită de acesta. Tipic pentru luminoforii organici (pe exemplul unei soluții de fluoresceină) dependența randamentului energetic  de lungimea de undă  a luminii excitante este prezentată în fig. 327. Din figură rezultă că la început  crește proporțional cu , iar apoi, atingând o valoare maximă, scade rapid la zero cu o creștere suplimentară. La(legea lui Vavilov). Randamentul energetic pentru diferiți fosfori variază în limite destul de largi, valoarea sa maximă putând ajunge la aproximativ 80%.

Solidele, care sunt efectiv cristale luminiscente preparate artificial cu impurități străine, sunt numite fosfor cristalin. Folosind exemplul fosforilor de cristal, să luăm în considerare mecanismele apariției luminiscenței din punct de vedere teoria zonei corpuri solide. Între banda de valență și banda de conducere a fosforului cristalin se află nivelurile de impurități ale activatorului (Fig. 328). La

Când un foton cu energie hv este absorbit de atomul activator, electronul de la nivelul de impuritate este transferat în banda de conducție, se deplasează liber prin cristal până întâlnește ionul activator și se recombină cu acesta, trecând din nou la nivelul de impuritate. Recombinarea este însoțită de emisia unui cuantum de luminescență luminescentă. Timpul de strălucire al fosforului este determinat de durata de viață a stării excitate a atomilor activatori, care de obicei nu depășește miliarde de secundă. Prin urmare, strălucirea este de scurtă durată și dispare aproape imediat după încetarea iradierii.

Pentru ca o strălucire pe termen lung (fosforescență) să apară, fosforul cristalin trebuie să conțină și centre de captare sau capcane pentru electroni, care sunt niveluri locale neumplute (de exemplu, Jl 1 și L 2) situate lângă partea de jos a benzii de conducere (Fig. 329). Pot fi formați din atomi de impurități, atomi din interstiții etc. Sub acțiunea luminii, atomii activatori sunt excitați, adică electronii de la nivelul de impurități trec în banda de conducție și devin liberi. Cu toate acestea, sunt capturați de capcane, în urma cărora își pierd mobilitatea și, în consecință, capacitatea de a se recombina cu ionul activator. Eliberarea unui electron dintr-o capcană necesită cheltuirea unei anumite energii, pe care electronii o pot primi, de exemplu, din vibrațiile termice ale rețelei. Electronul eliberat din capcană intră în banda de conducție și se deplasează prin cristal până când este fie recaptat de capcană, fie se recombină cu ionul activator.

În acest din urmă caz, apare un cuantum de radiație luminiscentă. Durata acestui proces este determinată de timpul de rezidență al electronilor în capcane.

Fenomenul luminiscenței a fost utilizat pe scară largă în practică, de exemplu analiza luminiscente - o metodă pentru determinarea compoziției unei substanțe prin strălucirea sa caracteristică. Această metodă, fiind foarte sensibilă (aproximativ 10 -10 g/cm 3), face posibilă depistarea prezenței unor impurități neglijabile și este utilizată în cele mai fine studii din biologie, medicină, industria alimentară etc. Detectarea defectelor fluorescente vă permite să detectați cele mai subțiri fisuri de pe suprafața pieselor mașinii și a altor produse (suprafața studiată este acoperită pentru aceasta cu o soluție luminiscentă, care rămâne în fisuri după îndepărtare).

Fosforii sunt utilizați în lămpile fluorescente, sunt mediul activ al generatoarelor cuantice optice (vezi § 233) și scintilatoarelor (care vor fi discutate mai jos), sunt utilizați în convertoare electron-optice (vezi § 169), sunt utilizați pentru a crea iluminare de urgență și de camuflaj și pentru fabricarea indicatoarelor luminoase ale diverselor dispozitive.

radiatie electromagnetica. Metode de aplicare analiza spectrală.

Energia radiațiilor.

Sursa de lumină trebuie să consume energie. Lumina este unde electromagnetice cu o lungime de undă de 4 10-7 - 8 10-7 m. Undele electromagnetice emis la mișcare rapidă particule încărcate. Aceste particule încărcate fac parte din atomi. Dar, fără a ști cum este aranjat atomul, nu se poate spune nimic sigur despre mecanismul radiației. Este clar doar că nu există lumină în interiorul unui atom, la fel cum nu există niciun sunet într-o coardă de pian. Asemenea unei coarde care începe să sune abia după lovirea unui ciocan, atomii dau naștere luminii numai după ce sunt excitați.
Pentru ca un atom să radieze, trebuie să transfere energie. Prin radiare, un atom pierde energia pe care a primit-o, iar pentru strălucirea continuă a unei substanțe este necesar un aflux de energie către atomii săi din exterior.

Radiație termala. Cel mai simplu și cel mai comun tip de radiație este radiația termică, în care pierderea de energie de către atomi pentru emisia de lumină este compensată de energie. mișcarea termică atomi sau (molecule) corp radiant.
LA începutul XIXîn. s-a constatat că deasupra (în lungime de undă) partea roșie a spectrului lumina vizibila partea infraroșie a spectrului este invizibilă pentru ochi, iar sub partea violetă a spectrului luminii vizibile se află partea invizibilă a spectrului ultraviolet.
lungimi de undă Radiatii infrarosii sunt cuprinse în intervalul de la 3 10-4 la 7,6 10-7 m. proprietate caracteristică această radiație este a ei efect termic. Sursa razelor infraroșii este orice corp. Intensitatea acestei radiații este cu atât mai mare, cu atât temperatura corpului este mai mare. Cu cât temperatura corpului este mai mare, cu atât atomii se mișcă mai repede. Când atomii (moleculele) rapizi se ciocnesc unul de altul, unii dintre ei energie kinetică se transformă în energie de excitație a atomilor, care apoi emit lumină.

Radiația infraroșie este examinată folosind termocupluri și bolometre. Principiul de funcționare al dispozitivelor de vedere pe timp de noapte se bazează pe utilizarea radiației infraroșii.
Sursa de căldură a radiației este Soarele, precum și o lampă incandescentă obișnuită. Lampa este o sursă foarte convenabilă, dar neeconomică. Doar aproximativ 12% din energia totală eliberată în lampă soc electric, este transformată în energie luminoasă. Sursa de căldură a luminii este flacăra. Boabele de funingine sunt încălzite de energia eliberată în timpul arderii combustibilului și emit lumină.

Electroluminiscență. Energia necesară atomilor pentru a emite lumină poate fi împrumutată și din surse non-termice. Când se descarcă în gaze, câmpul electric conferă electronilor o energie cinetică mare. Electronii rapizi experimentează coliziuni cu atomii. O parte din energia cinetică a electronilor merge la excitarea atomilor. Atomii excitați eliberează energie sub formă de unde luminoase. Din acest motiv, descărcarea în gaz este însoțită de o strălucire. Aceasta este electroluminiscența.

catodoluminiscenţă. strălucire solide cauzată de bombardarea lor cu electroni se numește catodoluminiscență. Ecranele tuburilor catodice strălucesc din cauza catodoluminiscenței.

Chemiluminiscență. Pentru unii reacții chimice, mergând cu eliberarea de energie, o parte din această energie este cheltuită direct pentru emisia de lumină. Sursa de lumină rămâne rece (are temperatură mediu inconjurator). Acest fenomen se numește chemiluminiscență.

Fotoluminiscență. Lumina care cade pe o substanță este parțial reflectată și parțial absorbită. Energia luminii absorbite provoacă în majoritatea cazurilor doar încălzirea corpului. Cu toate acestea, unele corpuri încep să strălucească direct sub acțiunea radiației incidente asupra lor. Aceasta este fotoluminiscența.

Lumina excită atomii materiei (îi mărește energie interna), după care sunt evidențiate de la sine. De exemplu, vopselele luminoase, care acoperă multe decorațiuni de Crăciun, emit lumină după ce sunt iradiate. Fotoluminiscența solidelor, precum și motiv special- fosfori (generalizați), pot fi nu numai în vizibil, ci și în domeniul ultraviolet și infraroșu. Lumina emisă în timpul fotoluminiscenței are, de regulă, o lungime de undă mai mare decât lumina care excită strălucirea. Acest lucru poate fi observat experimental. Dacă un fascicul de lumină trecut printr-un filtru de lumină violetă este direcționat către un vas cu un fluorescent (colorant organic), atunci acest lichid începe să strălucească cu lumină verde-gălbuie, adică lumină cu o lungime de undă mai mare decât cea a luminii violete.
Fenomenul fotoluminiscenței este utilizat pe scară largă în lămpile fluorescente. fizician sovietic S. I. Vavilov a propus să acopere suprafata interioara tub de descărcare cu substanțe capabile să strălucească puternic sub acțiunea radiațiilor cu unde scurte evacuarea gazelor.

Distribuția energiei în spectru.

Niciuna dintre surse nu dă lumină monocromatică, adică lumină cu o lungime de undă strict definită. De acest lucru suntem convinși de experimente privind descompunerea luminii într-un spectru cu ajutorul unei prisme, precum și experimente de interferență și difracție.
Energia pe care o poartă cu ea lumina de la sursă este distribuită într-un anumit mod peste undele de toate lungimile de undă care alcătuiesc fasciculul de lumină. De asemenea, putem spune că energia este distribuită pe frecvențe, deoarece există o relație simplă între lungimea de undă și frecvență: ђv = c.
Densitatea sau intensitatea fluxului radiației electromagnetice este determinată de energia atribuită tuturor frecvențelor. Pentru a caracteriza distribuția radiației pe frecvențe, trebuie să introduceți o nouă valoare: intensitatea pe unitatea de interval de frecvență. Această valoare se numește densitatea spectrală a intensității radiației.

Nu vă puteți baza pe ochi atunci când estimați distribuția energiei. Ochiul are o sensibilitate selectivă la lumină: maximul sensibilității sale se află în regiunea galben-verde a spectrului. Cel mai bine este să profitați de proprietatea unui corp negru de a absorbi aproape complet lumina de toate lungimile de undă. În acest caz, energia radiației (adică lumina) provoacă încălzirea corpului. Prin urmare, este suficient să măsurați temperatura corpului și să o folosiți pentru a evalua cantitatea de energie absorbită pe unitatea de timp.
Un termometru obișnuit este prea sensibil pentru a fi folosit cu succes în astfel de experimente. Sunt necesare instrumente de măsurare a temperaturii mai sensibile. Puteți lua un termometru electric, în care element sensibil realizată sub forma unei plăci subțiri de metal. Această placă trebuie acoperită cu un strat subțire de funingine, care absoarbe aproape complet lumina de orice lungime de undă.
Placa termosensibilă a instrumentului trebuie plasată într-un loc sau altul din spectru. Tot spectru vizibil lungimea l de la razele roșii la violet corespunde intervalului de frecvență de la IR la UV. Lățimea corespunde unui interval mic Av. Prin încălzirea plăcii negre a dispozitivului, se poate aprecia densitatea fluxului de radiație pe intervalul de frecvență Av. Deplasând placa de-a lungul spectrului, aflăm că majoritatea energia cade pe partea roșie a spectrului, și nu pe cea galben-verde, așa cum pare ochiului.
Pe baza rezultatelor acestor experimente, este posibilă reprezentarea grafică a dependenței densității spectrale a intensității radiației de frecvență. Densitatea spectrală a intensității radiației este determinată de temperatura plăcii, iar frecvența nu este greu de găsit dacă dispozitivul folosit pentru a descompune lumina este calibrat, adică dacă se știe ce frecvență corespunde secțiunii date a spectrului. la.
Trasând de-a lungul axei absciselor valorile frecvențelor corespunzătoare punctelor medii ale intervalelor Av, iar de-a lungul axei ordonatelor densitatea spectrală a intensității radiației, obținem o serie de puncte prin care se poate trasa o curbă netedă. Această curbă oferă o reprezentare vizuală a distribuției energiei și a părții vizibile a spectrului unui arc electric.

Tipuri de spectre.

Compoziția spectrală a radiațiilor diverse substante foarte variat. Dar, în ciuda acestui fapt, toate spectrele, după cum arată experiența, pot fi împărțite în trei tipuri care diferă unele de altele.

Spectre continue.

Spectrul solar sau spectrul luminii arcului este continuu. Aceasta înseamnă că toate lungimile de undă sunt reprezentate în spectru. Nu există discontinuități în spectru și o bandă continuă multicoloră poate fi văzută pe ecranul spectrografului.
Distribuția energiei pe frecvențe, adică densitatea spectrală a intensității radiației, pt diverse corpuri diferit. De exemplu, un corp cu o suprafață foarte neagră emite unde electromagnetice de toate frecvențele, dar densitatea spectrală a curbei intensității radiației în funcție de frecvență are un maxim la o anumită frecvență. Energia de radiație atribuită frecvențelor foarte mici și foarte înalte este neglijabilă. Pe măsură ce temperatura crește, densitatea spectrală maximă a radiației se deplasează către unde scurte.
Spectrele continue (sau continue), după cum arată experiența, dau corpuri care sunt solide sau stare lichidași gaze puternic comprimate. Pentru a obține un spectru continuu, trebuie să încălziți corpul la o temperatură ridicată.
Natura spectrului continuu și însuși faptul existenței sale sunt determinate nu numai de proprietățile atomilor radianți individuali, ci și de grad puternic depinde de interacțiunea atomilor între ei.
Un spectru continuu este, de asemenea, produs de plasmă la temperatură înaltă. Undele electromagnetice sunt emise de plasmă în principal atunci când electronii se ciocnesc cu ionii.

Spectre de linii.

Să introducem în flacăra palidă a unui arzător cu gaz o bucată de azbest umezită cu o soluție de obișnuit. sare de masă. Când se observă o flacără printr-un spectroscop, o linie galbenă strălucitoare clipește pe fundalul unui spectru continuu abia distins al flăcării. Această linie galbenă este dată de vaporii de sodiu, care se formează în timpul divizării moleculelor de clorură de sodiu într-o flacără. Pe spectroscop, se poate vedea și o palisadă de linii colorate de luminozitate diferită, separate de benzi largi întunecate. Astfel de spectre sunt numite spectre de linii. Disponibilitate spectrul de liniiînseamnă că substanța emite lumină doar la lungimi de undă bine definite (mai precis, în anumite intervale spectrale foarte înguste). Fiecare dintre linii are o lățime finită.
Spectrele de linie apar numai în substanțele în stare atomică (dar nu și în cele moleculare). În acest caz, lumina este emisă de atomi care practic nu interacționează între ei. Acesta este cel mai fundamental tip de spectre de bază. Proprietatea principală a spectrelor de linii este aceea că atomii izolați ai unui element chimic dat emit secvențe de lungimi de undă strict definite, care nu se repetă. Două diverse elemente nu există o singură secvență de lungimi de undă. Benzile spectrale apar la ieșirea unui dispozitiv spectral în locul lungimii de undă care este emisă de la sursă. De obicei, pentru a observa spectre de linii, se folosește strălucirea vaporilor unei substanțe într-o flacără sau strălucirea unei descărcări de gaz într-un tub umplut cu gazul studiat.
Odată cu creșterea densității unui gaz atomic, liniile spectrale individuale se extind și, în final, la foarte densitate mare gaz, atunci când interacțiunea atomilor devine semnificativă, aceste linii se suprapun între ele formând un spectru continuu.

Spectre cu dungi.

Spectrul în dungi este format din benzi individuale separate prin goluri întunecate. Cu ajutorul unui aparat spectral foarte bun se poate constata ca fiecare banda este o colectie un numar mare linii foarte apropiate. Spre deosebire de spectrele de linii, spectrele de dungi sunt create nu de atomi, ci de molecule care nu sunt legate sau slab legate. prieten legat cu prietenul.
Pentru a observa spectre moleculare, precum și pentru a observa spectre de linie, se folosește de obicei strălucirea vaporilor într-o flacără sau strălucirea unei descărcări de gaz.

Spectre de emisie și absorbție.

Toate substanțele ai căror atomi se află în stare de excitat, radia unde luminoase, a cărui energie este distribuită într-un anumit fel pe lungimile de undă. Absorbția luminii de către o substanță depinde și de lungimea de undă. Deci, sticla roșie transmite unde corespunzătoare luminii roșii (l»8 10-5 cm), și absoarbe tot restul.
Dacă săriți lumină albă printr-un gaz rece, neradiant, pe fundalul spectrului continuu al sursei apar linii întunecate. Gazul absoarbe cel mai intens lumina exact acele lungimi de undă pe care o emite atunci când este foarte fierbinte. Liniile întunecate pe fundalul spectrului continuu sunt liniile de absorbție, care împreună formează spectrul de absorbție.
Există spectre de emisie continue, linie și în dungi și același număr de spectre de absorbție.

Analiza spectrală și aplicarea acesteia.

Este important să știm din ce sunt făcute corpurile din jurul nostru. Au fost concepute multe metode pentru a determina compoziția lor. Dar compoziția stelelor și galaxiilor poate fi cunoscută doar cu ajutorul analizei spectrale.

Metoda de determinare a compoziției calitative și cantitative a unei substanțe prin spectrul său se numește analiză spectrală. Analiza spectrală este utilizată pe scară largă în căutarea de minerale pentru a determina compoziție chimică mostre de minereu. În industrie, analiza spectrală face posibilă controlul compozițiilor aliajelor și impurităților introduse în metale pentru a obține materiale cu proprietățile dorite. Spectrele de linii joacă în special rol important, deoarece structura lor este direct legată de structura atomului. La urma urmei, aceste spectre sunt create de atomi care nu experimentează influențe externe. Prin urmare, familiarizându-ne cu spectrele de linii, facem astfel primul pas către studierea structurii atomilor. Prin observarea acestor spectre, oamenii de știință au putut „priva” în interiorul atomului. Aici, optica intră în contact strâns cu fizica atomică.
Principala proprietate a spectrelor de linie este că lungimile de undă (sau frecvențele) ale spectrului de linii ale unei substanțe depind numai de proprietățile atomilor acestei substanțe, dar sunt complet independente de metoda de excitare a luminiscenței atomilor. Atomii oricărui element chimic emit un spectru, spre deosebire de spectrele tuturor celorlalte elemente: ei sunt capabili să emită un set strict definit de lungimi de undă.
Analiza spectrală se bazează pe aceasta - o metodă pentru determinarea compoziției chimice a unei substanțe din spectrul acesteia.

La fel ca amprentele umane, spectrele de linii au o personalitate unică. Unicitatea modelelor de pe pielea degetului ajută adesea la găsirea criminalului. În același mod, datorită individualității spectrelor, este posibil să se determine compoziția chimică a corpului. Folosind analiza spectrală, puteți detecta acest element în compoziție substanță complexă, chiar dacă masa sa nu depășește 10-10. Aceasta este o metodă foarte sensibilă.
Studiul spectrului de linii al unei substanțe face posibilă determinarea din care elemente chimice consta si in ce cantitate fiecare element este continut in aceasta substanta.
Conținutul cantitativ al elementului din proba studiată se determină prin compararea intensității liniilor individuale ale spectrului acestui element cu intensitatea liniilor altui element chimic, al cărui conținut cantitativ în eșantion este cunoscut.
Analiza cantitativă a compoziției unei substanțe după spectrul său este dificilă, deoarece luminozitatea linii spectrale depinde nu numai de masa substanței, ci și de metoda de excitare a strălucirii. Da, la temperaturi scăzute multe linii spectrale nu apar deloc. Cu toate acestea, în condiții standard pentru excitarea luminiscenței, poate fi efectuată și o analiză spectrală cantitativă.
Avantajele analizei spectrale sunt sensibilitate crescutăși viteza rezultatelor. Cu ajutorul analizei spectrale este posibilă detectarea prezenței aurului într-o probă care cântărește 6 10-7 g, în timp ce masa acestuia este de numai 10-8 g. Determinarea gradului de oțel prin analiză spectrală poate fi efectuată în câteva zeci. de secunde.
Analiza spectrală vă permite să determinați compoziția chimică corpuri cerești miliarde de ani lumină distanță de Pământ. Compoziția chimică a atmosferelor planetelor și stelelor, gazul rece din spațiul interstelar este determinată de spectre de absorbție.
Studiind spectrele, oamenii de știință au putut determina nu numai compoziția chimică a corpurilor cerești, ci și temperatura acestora. Deplasarea liniilor spectrale poate fi folosită pentru a determina viteza unui corp ceresc.

În prezent, spectrele tuturor atomilor au fost determinate și au fost întocmite tabele de spectre. Cu ajutorul analizei spectrale au fost descoperite multe elemente noi: rubidiu, cesiu etc. Elementele au fost adesea denumite după culoarea celor mai intense linii ale spectrului. Rubidiu dă linii roșu închis, rubin. Cuvântul cesiu înseamnă „albastru cerul”. Aceasta este culoarea liniilor principale ale spectrului de cesiu.
Cu ajutorul analizei spectrale au aflat compoziția chimică a Soarelui și a stelelor. Alte metode de analiză sunt în general imposibile aici. S-a dovedit că stelele sunt compuse din aceleași elemente chimice care se găsesc pe Pământ. Este curios că heliul a fost descoperit inițial în Soare și abia apoi găsit în atmosfera Pământului. Numele acestui element amintește de istoria descoperirii sale: cuvântul heliu înseamnă „însorit” în traducere.
Datorită simplității și versatilității sale comparative, analiza spectrală este principala metodă de monitorizare a compoziției unei substanțe în metalurgie, inginerie mecanică și industria nucleară. Cu ajutorul analizei spectrale se determină compoziția chimică a minereurilor și mineralelor.
Compoziția amestecurilor complexe, în principal organice, este analizată prin spectrele lor moleculare.
Analiza spectrală poate fi efectuată nu numai din spectre de emisie, ci și din spectre de absorbție. Liniile de absorbție din spectrul Soarelui și stelelor fac posibilă studierea compoziției chimice a acestor corpuri cerești. Suprafața puternic luminoasă a Soarelui - fotosfera - oferă un spectru continuu. atmosfera solara absoarbe selectiv lumina din fotosferă, ceea ce duce la apariția liniilor de absorbție pe fundalul spectrului continuu al fotosferei.
Dar însăși atmosfera Soarelui emite lumină. Pe parcursul eclipsele de soare, când disc solarînchise de Lună, liniile spectrului sunt inversate. În loc de liniile de absorbție din spectrul solar, liniile de emisie clipesc.
În astrofizică, analiza spectrală este înțeleasă nu numai pentru a determina compoziția chimică a stelelor, norilor de gaz etc., ci și pentru a găsi multe alte caracteristici fizice aceste obiecte: temperatura, presiunea, viteza, inducția magnetică.
Pe lângă astrofizică, analiza spectrală este utilizată pe scară largă în criminalistică, pentru a investiga probele găsite la locul crimei. De asemenea, analiza spectrală în criminalistică ajută la determinarea armei crimei și, în general, la dezvăluirea unor detalii ale crimei.
Analiza spectrală este folosită și mai pe scară largă în medicină. Aici aplicarea sa este foarte largă. Poate fi folosit pentru diagnosticare, precum și pentru a determina substanțele străine din corpul uman.
Analiza spectrală necesită instrumente spectrale speciale, pe care le vom lua în considerare în continuare.

Dispozitive spectrale.

Pentru un studiu precis al spectrelor, dispozitive simple precum o fantă îngustă care limitează fasciculul de lumină și o prismă nu mai sunt suficiente. Sunt necesare instrumente care oferă un spectru clar, adică instrumente care separă bine undele diverse lungimiși nesuprapune secțiuni individuale spectru. Astfel de dispozitive sunt numite dispozitive spectrale. Cel mai adesea, partea principală a aparatului spectral este o prismă sau o rețea de difracție.
Luați în considerare schema dispozitivului aparatului spectral prism. Radiația studiată intră mai întâi în partea dispozitivului numită colimator. Colimatorul este un tub, la un capăt al căruia se află un ecran cu o fantă îngustă, iar la celălalt - o lentilă convergentă. Decalajul este deschis distanta focala din lentilă. Prin urmare, un fascicul de lumină divergent care intră în lentilă din fantă iese din acesta într-un fascicul paralel și cade pe prismă.
La fel de frecvente diferite corespund diferiților indici de refracție, apoi din prismă ies fascicule paralele, care nu coincid în direcție. Cad pe lentilă. La distanța focală a acestui obiectiv se află un ecran - sticlă mată sau placă fotografică. Lentila focalizează fascicule paralele de raze pe ecran și, în loc de o singură imagine a fantei, întreaga linie imagini. Fiecare frecvență (interval spectral îngust) are propria sa imagine. Toate aceste imagini împreună formează un spectru.
Instrumentul descris se numește spectrograf. Dacă în loc de o a doua lentilă și un ecran, se folosește un telescop pentru observarea vizuală a spectrelor, atunci dispozitivul se numește spectroscop. Prismele și alte detalii ale dispozitivelor spectrale nu sunt neapărat făcute din sticlă. În loc de sticlă se folosesc și materiale transparente precum cuarțul, sarea gemă etc.

Radiație termică și luminiscență.

Energia consumata corp luminos pentru radiații, poate fi completat din diverse surse. Fosforul oxidat în aer strălucește datorită energiei eliberate în timpul transformare chimică. Acest tip de lumină se numește chemiluminiscență. Strălucirea care vine din tipuri variate descărcarea independentă de gaz se numește electroluminiscență. Strălucirea solidelor cauzată de bombardarea lor cu electroni se numește catodoluminiscență. Emisia de radiații de către un corp cu o anumită lungime de undă caracteristică acestuia λ 1 poate fi cauzată de iradierea acestui corp (sau iradierea lui anterior) cu radiație de lungime de undă λ 1 mai putin decat λ 2. Astfel de procese sunt combinate sub denumirea de fotoluminiscență (Luminescența se numește radiație, exces peste radiația termică a corpului la o anumită temperatură și având o durată care depășește semnificativ perioada undelor emise. Substanțele luminescente se numesc fosfor. ).

Figura 8. 1 Chemiluminescență

Figura 8. 2 Fotoluminiscență

Figura 8. 3 Electroluminiscența.

Cel mai frecvent este strălucirea corpurilor datorită încălzirii lor. Acest tip de strălucire se numește radiație termică (sau de temperatură). Radiația termică apare la orice temperatură, totuși, la temperaturi scăzute, practic sunt emise doar unde electromagnetice lungi (infraroșii).

Să înconjurăm corpul radiant cu o înveliș impenetrabil cu o suprafață perfect reflectantă (Fig.).

Radiația, căzând pe corp, va fi absorbită de acesta (parțial sau complet). În consecință, va exista un schimb continuu de energie între corp și radiația care umple învelișul. Dacă distribuția energiei între corp și radiație rămâne neschimbată pentru fiecare lungime de undă, starea sistemului de radiații corp va fi în echilibru. Experiența arată că singurul tip de radiație care poate fi în echilibru cu corpurile radiante este radiația termică. Toate celelalte tipuri de radiații sunt neechilibrate.

Capacitatea radiației termice de a fi în echilibru cu corpurile radiante se datorează faptului că intensitatea acesteia crește odată cu creșterea temperaturii. Să presupunem că echilibrul dintre corp și radiații (vezi fig.) este încălcat și corpul emite mai multă energie decât absoarbe.

Apoi energia internă a corpului va scădea, ceea ce va duce la scăderea temperaturii. Aceasta, la rândul său, va determina o scădere a cantității de energie emisă de organism. Temperatura corpului va scădea până când cantitatea de energie radiată de corp devine egală cu numărul energie absorbită. Dacă echilibrul este perturbat în cealaltă direcție, adică cantitatea de energie radiată este mai mică decât este absorbită, temperatura corpului va crește până când echilibrul este restabilit. Astfel, un dezechilibru în sistemul corp-radiații determină apariția unor procese care restabilesc echilibrul.

Situația este diferită în cazul oricăruia dintre tipurile de luminiscență. Să arătăm acest lucru pe exemplul chemiluminiscenței. Atâta timp cât reacția chimică care provoacă radiația continuă, corpul radiant se îndepărtează din ce în ce mai mult de starea sa inițială. Absorbția radiațiilor de către organism nu va schimba direcția reacției, ci, dimpotrivă, va duce la o reacție mai rapidă (datorită încălzirii) în direcția inițială. Echilibrul se va stabili numai atunci când se epuizează întreaga aprovizionare de substanțe de reacție și Luminescență.

condiţionat procese chimice, vor fi înlocuite cu radiații termice.

Deci, dintre toate tipurile de radiații, doar radiația termică poate fi în echilibru. Legile termodinamicii se aplică stărilor și proceselor de echilibru. În consecință, și radiațiile termice trebuie să se supună unora tipare generale decurgând din principiile termodinamicii. La luarea în considerare a acestor regularități ne întoarcem.

8.2 Legea lui Kirchhoff.

Să introducem câteva caracteristici ale radiației termice.

Flux de energie (orice frecventa), emis de o unitate de suprafață a unui corp radiant pe unitatea de timp în toate direcțiile(într-un unghi solid 4π), numit luminozitatea energetică a corpului (R) [R] = W/m2 .

Radiația constă din unde de diferite frecvențe (ν). Să notăm fluxul de energie emis de o unitate de suprafață a corpului în intervalul de frecvență de la ν la ν + dv, prin d R v. Apoi la această temperatură.

Unde - densitatea spectrală luminozitatea energetică, sau emisivitatea corpului .

Experiența arată că emisivitatea unui corp depinde de temperatura corpului (pentru fiecare temperatură, radiația maximă se află în propriul interval de frecvență). Dimensiune .

Cunoscând emisivitatea, putem calcula luminozitate energetică:

Lăsați un flux de energie radiantă dФ să cadă pe o zonă elementară a suprafeței corpului, datorită undelor electromagnetice, ale căror frecvențe sunt cuprinse în intervalul dν. O parte din acest flux va fi absorbită de organism. Fără dimensiuni

numit capacitatea de absorbție a organismului . De asemenea, depinde foarte mult de temperatură.

Prin definiție, nu poate fi mai mare de unu. Pentru un corp care absoarbe complet radiația de toate frecvențele, . Un astfel de corp este numit absolut negru (aceasta este o idealizare).

Corpul pentru care și mai putin de unul pentru toate frecventele,numit corp gri (aceasta este și o idealizare).

Există o anumită relație între capacitatea de emitere și absorbție a corpului. Să realizăm mental următorul experiment.

Să fie trei corpuri în interiorul unei învelișuri închise. Corpurile sunt în vid, prin urmare, schimbul de energie poate avea loc numai din cauza radiațiilor. Experiența arată că după ceva timp un astfel de sistem va ajunge la o stare de echilibru termic (toate corpurile și învelișul vor avea aceeași temperatură).

În această stare, organismul, care are o capacitate radiativă mai mare, pierde pe unitatea de timp și mai multă energie, dar, prin urmare, acest organism trebuie să aibă și o capacitate de absorbție mai mare:

Gustav Kirchhoff în 1856 a formulat lege și a sugerat model de corp negru .

Raportul dintre emisivitate și absorbție nu depinde de natura corpului, este același pentru toate corpurile.(universal)funcţie de frecvenţă şi temperatură.

unde f(- functie generica Kirchhoff.

Această funcție are un caracter universal sau absolut.

Cantitățile și , luate separat, se pot schimba extrem de puternic la trecerea de la un corp la altul, dar raportul lor în mod constant pentru toate corpurile (la o frecvență și temperatură date).

Pentru un corp absolut negru , =1 , prin urmare, pentru el f( , i.e. Funcția universală a lui Kirchhoff nu este altceva decât strălucirea unui corp complet negru.

Corpurile absolut negre nu există în natură. Funinginea sau negrul de platină au putere de absorbție, 1, dar numai într-un interval de frecvență limitat. Cu toate acestea, o cavitate cu o deschidere mică este foarte aproape în proprietățile sale de un corp complet negru. Fasciculul care a intrat înăuntru, după reflexii multiple, este în mod necesar absorbit, iar fasciculul de orice frecvență.

Emisivitatea unui astfel de dispozitiv (cavitate) este foarte aproape de f(ν ,T). Astfel, dacă pereții cavității sunt menținuți la o temperatură T, atunci radiația emisă din gaură este foarte aproape compoziţia spectrală la radiația corpului negru la aceeași temperatură.

Extinderea acestei radiații într-un spectru, se poate găsi vedere experimentală funcții f(ν ,T)(Fig. 1.3), cu temperaturi diferite T 3 > T 2 > T 1 .

Aria acoperită de curbă oferă luminozitatea energetică a unui corp negru la temperatura corespunzătoare.

Aceste curbe sunt aceleași pentru toate corpurile.

Curbele sunt similare cu funcția de distribuție a vitezei a moleculelor. Dar acolo, zonele acoperite de curbe sunt constante, în timp ce aici, odată cu creșterea temperaturii, aria crește semnificativ. Acest lucru sugerează că compatibilitatea energetică depinde în mare măsură de temperatură. Radiație maximă (emisivitate) odată cu creșterea temperaturii se schimba spre frecvenţe mai înalte.

Energia cheltuită de un corp luminos pentru radiații poate fi completată din diverse surse. Fosforul oxidat în aer strălucește datorită energiei eliberate în timpul transformării chimice. Acest tip de lumină se numește chemiluminiscență.

Strălucirea care apare în timpul diferitelor tipuri de descărcări independente de gaz se numește electroluminiscență. Strălucirea solidelor cauzată de bombardarea lor de către electroni se numește catod-luminiu și non-scenă. Emisia de radiații de către un corp cu o anumită lungime de undă λ 1 caracteristică acestuia poate fi cauzată de iradierea acestui corp (sau iradierea lui anterior) cu radiații cu o lungime de undă λ 2 mai mică de λ 1 . Astfel de procese sunt combinate sub denumirea de fotoluminiscență.

Cel mai frecvent este strălucirea corpurilor datorită încălzirii lor. Acest tip de strălucire se numește radiație termică (sau de temperatură). Radiația termică apare la orice temperatură, totuși, la temperaturi scăzute, practic sunt emise doar unde electromagnetice lungi (infraroșii).

Să înconjurăm corpul radiant cu o înveliș impenetrabil cu o suprafață perfect reflectantă (Fig. 154). Scoateți aerul din carcasă. Radiația reflectată de coajă, căzând pe corp, va fi absorbită de acesta (parțial sau complet). În consecință, va exista un schimb continuu de energie între corp și radiația care umple învelișul. Dacă distribuția energiei între corp și radiație rămâne neschimbată pentru fiecare lungime de undă, starea sistemului de radiații corp va fi în echilibru. Experiența arată că singurul tip de radiație care poate fi în echilibru cu corpurile radiante este radiația termică. Toate celelalte tipuri de radiații sunt neechilibrate.

Capacitatea radiației termice de a fi în echilibru cu corpurile radiante se datorează faptului că intensitatea acesteia crește odată cu creșterea temperaturii. Să presupunem că echilibrul dintre corp și radiații (vezi Fig. 1) este perturbat și corpul emite mai multă energie decât absoarbe. Apoi energia internă a corpului va scădea, ceea ce va duce la scăderea temperaturii. Aceasta, la rândul său, va determina o scădere a cantității de energie emisă de organism. Temperatura corpului va scădea până când cantitatea de energie emisă de corp devine egală cu cantitatea de energie absorbită. Dacă echilibrul este perturbat în cealaltă direcție, adică cantitatea de energie radiată este mai mică decât este absorbită, temperatura corpului va crește până când echilibrul este restabilit. Astfel, un dezechilibru în sistemul corp-radiații determină apariția unor procese care restabilesc echilibrul.

Situația este diferită în cazul oricăruia dintre tipurile de luminiscență. Să arătăm acest lucru pe exemplul chemiluminiscenței. Atâta timp cât reacția chimică care provoacă radiația continuă, corpul radiant se îndepărtează din ce în ce mai mult de starea sa inițială. Absorbția radiațiilor de către organism nu va schimba direcția reacției, ci, dimpotrivă, va duce la o reacție mai rapidă (datorită încălzirii) în direcția inițială. Echilibrul se va stabili numai atunci când se epuizează întregul aport de substanţe care reacţionează şi se înlocuieşte luminiscenţa datorată proceselor chimice cu radiaţii termice.

Deci, dintre toate tipurile de radiații, doar radiația termică poate fi în echilibru. Legile termodinamicii se aplică stărilor și proceselor de echilibru. În consecință, radiația termică trebuie să se supună și unor legi generale care decurg din principiile termodinamicii. La luarea în considerare a acestor regularități ne întoarcem.

De asemenea, puteți găsi informații de interes în motorul de căutare științifică Otvety.Online. Utilizați formularul de căutare:

>> Tipuri de radiații. Surse de lumină

§ 80 TIPURI DE RADIAȚII. SURSE DE LUMINĂ

Lumina este un flux de unde electromagnetice cu o lungime de undă de 4 10 -7 -8 10 -7 m. Undele electromagnetice sunt emise în timpul mișcării accelerate a particulelor încărcate. Aceste particule încărcate fac parte din atomii care alcătuiesc materia. Dar, fără a ști cum este aranjat atomul, nu se poate spune nimic sigur despre mecanismul radiației. Este clar doar că nu există lumină în interiorul unui atom, la fel cum nu există niciun sunet într-o coardă de pian. Asemenea unei coarde care începe să sune abia după lovirea unui ciocan, atomii pot „naște” luminii doar după ce sunt excitați.

Pentru ca un atom să înceapă să radieze, trebuie să transfere o anumită cantitate de energie. Prin radiare, atomul pierde energia pe care a primit-o, iar pentru strălucirea continuă a substanței este necesar un aflux de energie către atomii săi din exterior.

Radiație termala. Cel mai simplu și mai comun tip de radiație este radiația termică, în care pierderea de energie de către atomi pentru emisia de lumină este compensată de energia mișcării termice de către atomul (sau moleculele) corpului radiant. Radiația termică este radiația corpurilor încălzite. Cu cât temperatura subiectului este mai mare, cu atât atomii se mișcă mai repede în el. Când atomii (sau moleculele) rapizi se ciocnesc unul de altul, o parte din energia lor cinetică este folosită pentru a excita atomii, care apoi emit lumină și trec într-o stare neexcitată.

Sursele termice de radiație sunt, de exemplu, Soarele și o lampă incandescentă obișnuită. Lampa este o sursă de lumină foarte convenabilă, dar ineficientă. Doar aproximativ 12% din toată energia eliberată în filamentul lămpii prin curentul electric este convertită în energie luminoasă. În cele din urmă, o flacără este și o sursă termică de lumină. Boabele de funingine (particule de combustibil care nu au avut timp să ardă) sunt încălzite de energia eliberată în timpul arderii combustibilului și emit lumină.

Electroluminiscență. Energia necesară atomilor pentru a emite lumină poate proveni și din surse non-termice. Când se descarcă în gaze, câmpul electric conferă electronilor o energie cinetică mare. Electronii rapizi experimentează coliziuni inelastice cu atomii. O parte din energia cinetică a electronilor merge la excitarea atomilor. Atomii excitați eliberează energie sub formă de unde luminoase. Ca urmare, descărcarea în gaz este însoțită de o strălucire. Aceasta este electroluminiscența.

Aurora boreală este, de asemenea, o manifestare a electroluminiscenței. Sunt captate fluxuri de particule încărcate emise de Soare camp magnetic Pământ. Ei entuziasmează poli magnetici Atomii Pământului sunt straturile superioare ale atmosferei, motiv pentru care aceste straturi strălucesc. Fenomenul electroluminiscenței este utilizat în tuburile pentru inscripțiile publicitare.

catodoluminiscenţă. Strălucirea solidelor cauzată de bombardarea lor cu electroni se numește catodoluminiscență. Datorită catodoluminiscenței, ecranele tuburilor catodice ale televizorului strălucesc.

Chemiluminiscență.În unele reacții chimice care merg odată cu eliberarea de energie, o parte din această energie este cheltuită direct pentru emisia de lumină. Sursa de lumina ramane rece (are temperatura ambientala). Acest fenomen se numește chemiluminiscență. Probabil că aproape toți sunteți familiarizați cu el. Vara, în pădure, puteți vedea o insectă - un licurici noaptea. O mică „lanternă” verde „arde” pe corp. Nu vă veți arde degetele prinzând un licurici. Un punct luminos pe spate are aproape aceeași temperatură ca și aerul înconjurător. Alte organisme vii au și proprietatea de a străluci: bacterii, insecte, mulți pești care trăiesc la adâncimi mari. Destul de des, bucăți de lemn putrezit strălucesc în întuneric.

Fotoluminiscență. Lumina care cade pe o substanță este parțial reflectată și parțial absorbită. Energia luminii absorbite provoacă în majoritatea cazurilor doar încălzirea corpului. Cu toate acestea, unele corpuri încep să strălucească direct sub acțiunea radiației incidente asupra lor. Aceasta este fotoluminiscența. Ușoară excită atomii materiei (le mărește energia internă), iar după aceea se evidențiază singuri. De exemplu, vopselele luminoase care sunt folosite pentru a acoperi decorațiunile de Crăciun emit lumină după ce sunt iradiate.

Vavilov Serghei Ivanovici (1891 -1951)- fizician sovietic, de stat și figura publica, Președinte al Academiei de Științe a URSS în perioada 1945-1951. Principal lucrări științifice sunt dedicate opticii fizice și, în primul rând, fotoluminiscenței. Sub conducerea sa a fost dezvoltată o tehnologie pentru fabricarea lămpilor fluorescente și a fost dezvoltată o metodă de analiză luminiscentă a compoziției chimice a substanțelor. Sub conducerea sa, P. A. Cherenkov a fost deschis în 1934 emisie de lumină electronii care se deplasează printr-un mediu cu o viteză mai mare decât viteza luminii în acel mediu.

Lumina emisă în timpul fotoluminiscenței are, de regulă, o lungime de undă mai mare decât lumina care excită strălucirea. Acest lucru poate fi observat experimental. Dacă un fascicul de lumină este direcționat către un vas cu fluoresceină (colorant organic), trecut printr-un filtru de lumină fpolet, atunci acest lichid începe să strălucească cu lumină verde-gălbuie, adică lumină cu o lungime de undă mai mare decât cea a luminii fpolet.

Fenomenul fotoluminiscenței este utilizat pe scară largă în lămpile fluorescente. Fizicianul sovietic S.I. Vavilov a propus acoperirea suprafeței interioare a tubului de descărcare cu substanțe capabile să strălucească puternic sub acțiunea radiației cu unde scurte de la o descărcare de gaz.

Lămpile fluorescente sunt de aproximativ 3-4 ori mai economice decât lămpile incandescente convenționale.

Dintre principalele tipuri de radiații enumerate, cea mai comună este radiația termică.

1. Ce surse de lumină cunoașteți!
2. Ce tipuri de radiații te-au afectat în ultima zi!

Myakishev G. Ya., Fizică. Clasa a 11-a: manual. pentru invatamantul general instituții: de bază și de profil. niveluri / G. Ya. Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; ed. V. I. Nikolaev, N. A. Parfenteva. - Ed. a XVII-a, revizuită. si suplimentare - M.: Educaţie, 2008. - 399 p.: ill.

Calendar-planificare tematică în fizică, sarcini și răspunsuri pentru un școlar online, cursuri pentru un profesor de fizică descărcare

Conținutul lecției rezumatul lecției suport cadru prezentarea lecției metode accelerative tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autoexaminare, traininguri, cazuri, quest-uri teme de discuție întrebări întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini grafice, tabele, scheme umor, anecdote, glume, pilde cu benzi desenate, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole jetoane pentru curioase cheat sheets manuale de bază și glosar suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment în manual elemente de inovare în lecție înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic timp de un an instrucțiuni programe de discuții Lecții integrate