Tepelné žiarenie a luminiscencia.

Spotrebovaná energia svietiace telo pre žiarenie, možno doplniť z rôzne zdroje. Fosfor oxidovaný vo vzduchu žiari v dôsledku energie uvoľnenej počas chemická premena. Tento druh svetla sa nazýva chemiluminiscencia. Žiara, ktorá vychádza z rôzne druhy nezávislý výboj plynu sa nazýva elektroluminiscencia. žiara pevné látky spôsobené ich bombardovaním elektrónmi sa nazýva katodoluminiscencia. Emisia žiarenia telesom určitej vlnovej dĺžky, ktorá je preň charakteristická λ 1 môže byť spôsobené ožiarením tohto telesa (alebo tým, že ste ho predtým ožiarili) žiarením o vlnovej dĺžke λ 1 menej ako λ 2. Takéto procesy sa spájajú pod názvom fotoluminiscencia (Luminiscencia sa nazýva žiarenie, prebytok tepelného žiarenia tela pri danej teplote, ktorého trvanie výrazne presahuje periódu emitovaných vĺn. Luminiscenčné látky sa nazývajú fosfory. ).

Obrázok 8. 1 Chemiluminiscencia

Obrázok 8. 2 Fotoluminiscencia

Obrázok 8. 3 Elektroluminiscencia.

Najčastejšie ide o žiaru telies v dôsledku ich zahrievania. Tento typ žiarenia sa nazýva tepelné (alebo teplotné) žiarenie. Tepelné žiarenie vzniká pri akejkoľvek teplote, no pri nízkych teplotách sa vyžarujú prakticky len dlhé (infračervené) elektromagnetické vlny.

Surround vyžarujúce teleso nepreniknuteľnú škrupinu s dokonale odrážajúcim povrchom (obr.).

Žiarenie dopadajúce na telo ním bude (čiastočne alebo úplne) absorbované. V dôsledku toho bude medzi telom a žiarením vypĺňajúcim schránku nepretržitá výmena energie. Ak distribúcia energie medzi telom a žiarením zostane nezmenená pre každú vlnovú dĺžku, bude stav systému telesa a žiarenia v rovnováhe. Skúsenosti ukazujú, že jediný druh žiarenia, ktorý môže byť v rovnováhe so žiariacimi telesami, je tepelné žiarenie. Všetky ostatné typy žiarenia sú nerovnovážne.

Potom vnútornej energie telo sa zníži, čo povedie k zníženiu teploty. To zase spôsobí zníženie množstva energie vyžarovanej telom. Teplota tela bude klesať, kým sa nezvýši množstvo energie vyžarovanej telom rovná sa číslu absorbovanej energie. Ak je rovnováha narušená v opačnom smere, t. j. množstvo vyžiarenej energie je menšie ako absorbované, teplota telesa sa bude zvyšovať, až kým sa rovnováha opäť neustanoví. Nerovnováha v tele-radiačnom systéme teda spôsobuje výskyt procesov, ktoré obnovujú rovnováhu.

Iná situácia je v prípade ktoréhokoľvek z typov luminiscencie. Ukážme si to na príklade chemiluminiscencie. Pokiaľ prebieha chemická reakcia spôsobujúca žiarenie, vyžarujúce teleso sa stále viac vzďaľuje od pôvodného stavu. Absorpcia žiarenia telom nezmení smer reakcie, ale naopak povedie k rýchlejšej (v dôsledku zahrievania) reakcii v pôvodnom smere. Rovnováha sa nastaví až po vyčerpaní celej zásoby reagujúcich látok a luminiscencie.

podmienené chemické procesy, bude nahradené tepelným žiarením.

Takže zo všetkých druhov žiarenia môže byť v rovnováhe iba tepelné žiarenie. Pre rovnovážne stavy a procesy platia zákony termodynamiky. V dôsledku toho sa musí niektoré podriadiť aj tepelnému žiareniu všeobecné vzory vyplývajúce z princípov termodynamiky. Obrátime sa na zváženie týchto zákonitostí.

8.2 Kirchhoffov zákon.

Uveďme niektoré charakteristiky tepelného žiarenia.

Tok energie (akúkoľvek frekvenciu), vyžarované jednotkovým povrchom vyžarujúceho telesa za jednotku času vo všetkých smeroch(v rámci pevného uhla 4π), volal energetická svietivosť tela (R) [R] = W/m2 .

Žiarenie pozostáva z vĺn rôznych frekvencií (ν). Označme energetický tok vyžarovaný jednotkovým povrchom telesa vo frekvenčnom rozsahu od ν do ν + dv, cez d R v. Potom pri tejto teplote.

kde - spektrálna hustota energetická svietivosť, príp emisivita tela .

Skúsenosti ukazujú, že emisivita telesa závisí od teploty telesa (pre každú teplotu leží maximum žiarenia v jej vlastnom frekvenčnom rozsahu). Rozmer .

Keď poznáme emisivitu, môžeme vypočítať energetická svietivosť:

Nechajte prúd žiarivej energie dФ dopadať na elementárnu oblasť povrchu tela v dôsledku elektromagnetických vĺn, ktorých frekvencie sú obsiahnuté v intervale dν. Časť tohto toku bude absorbovaná telom. Bezrozmerný

volal absorpčná kapacita tela . Veľmi závisí aj od teploty.

Podľa definície nemôže byť väčšia ako jedna. Pre teleso, ktoré úplne absorbuje žiarenie všetkých frekvencií, . Takéto telo sa nazýva úplne čierne (toto je idealizácia).

Telo pre ktoré a menej ako jeden pre všetky frekvencie,volal sivé telo (to je tiež idealizácia).

Existuje určitý vzťah medzi emitujúcou a absorbčnou schopnosťou tela. V duchu vykonajte nasledujúci experiment.

Nech sú v uzavretej škrupine tri telá. Telesá sú vo vákuu, preto k výmene energie môže dôjsť iba v dôsledku žiarenia. Skúsenosti ukazujú, že po určitom čase sa takýto systém dostane do stavu tepelnej rovnováhy (všetky telesá a obal budú mať rovnakú teplotu).

V tomto stave teleso, ktoré má väčšiu vyžarovaciu kapacitu, stráca za jednotku času a viac energie, ale preto musí mať toto teleso aj väčšiu absorpčnú kapacitu:

Gustav Kirchhoff v roku 1856 sformuloval zákona a navrhol čierny model tela .

Pomer emisivity k nasiakavosti nezávisí od charakteru telesa, je rovnaký pre všetky telesá.(univerzálny)funkcia frekvencie a teploty.

kde f(- generická funkcia Kirchhoff.

Táto funkcia má univerzálny, čiže absolútny charakter.

Množstvá a , brané oddelene, sa môžu pri prechode z jedného telesa na druhé extrémne meniť, ale ich pomer neustále pre všetky telesá (pri danej frekvencii a teplote).

Pre absolútne čierne teleso je teda =1 pre to f( , t.j. Kirchhoffovou univerzálnou funkciou nie je nič iné ako vyžarovanie úplne čierneho tela.

Absolútne čierne telesá v prírode neexistujú. Sadze alebo platinová čerň majú absorbčnú silu 1, ale len v obmedzenom frekvenčnom rozsahu. Dutina s malým otvorom je však svojimi vlastnosťami veľmi blízka úplne čiernemu telesu. Lúč, ktorý sa dostal dovnútra, je po viacnásobných odrazoch nevyhnutne absorbovaný a lúč akejkoľvek frekvencie.

Emisivita takéhoto zariadenia (dutiny) je veľmi blízka f(ν ,T). Ak sú teda steny dutiny udržiavané na teplote T, potom je žiarenie vyžarované z otvoru veľmi blízko spektrálne zloženie na žiarenie čierneho telesa pri rovnakej teplote.

Rozšírením tohto žiarenia do spektra možno nájsť experimentálny pohľad funkcie f(ν ,T)(obr. 1.3), s rozdielne teploty T 3 > T 2 > T 1 .

Oblasť pokrytá krivkou udáva energetickú svietivosť čierneho telesa pri vhodnej teplote.

Tieto krivky sú rovnaké pre všetky telesá.

Krivky sú podobné funkcii distribúcie rýchlosti molekúl. Ale tam sú plochy pokryté krivkami konštantné, zatiaľ čo tu sa s rastúcou teplotou plocha výrazne zväčšuje. To naznačuje, že energetická kompatibilita veľmi závisí od teploty. Maximálne žiarenie (emisivita) so zvyšujúcou sa teplotou sa posúva smerom k vyšším frekvenciám.

Vyžarovanie elektromagnetických vĺn telesami (žiara telies) sa môže uskutočňovať v dôsledku rôznych druhov energie. Najbežnejšie je tepelné žiarenie, teda vyžarovanie elektromagnetických vĺn v dôsledku vnútornej energie telies. Všetky ostatné typy luminiscencie, excitované akýmkoľvek druhom energie, okrem vnútornej (tepelnej), sú kombinované pod spoločný názov„luminiscencia“.

Fosfor oxidovaný vo vzduchu žiari v dôsledku energie uvoľnenej počas chemickej transformácie. Tento druh svetla sa nazýva chemiluminiscencia. Žiara, ktorá sa vyskytuje v plynoch a pevných látkach pod vplyvom elektrické pole sa nazýva elektroluminiscencia. Žiara pevných látok spôsobená ich bombardovaním elektrónmi sa nazýva katodoluminiscencia. Luminiscencia excitovaná elektromagnetickým žiarením absorbovaným telom sa nazýva fotoluminiscencia.

Tepelné žiarenie vzniká pri akejkoľvek teplote, no pri nízkych teplotách sa vyžarujú prakticky len dlhé (infračervené) elektromagnetické vlny.

Obklopme vyžarujúce teleso plášťom s dokonale odrážajúcim povrchom (obr. 1.1).

Odstráňte vzduch zo škrupiny. Žiarenie odrazené plášťom, dopadajúce na telo, bude ním (čiastočne alebo úplne) absorbované. V dôsledku toho bude medzi telom a žiarením vypĺňajúcim schránku nepretržitá výmena energie. Ak distribúcia energie medzi telom a žiarením zostane nezmenená pre každú vlnovú dĺžku, bude stav systému telesa a žiarenia v rovnováhe. Prax ukazuje, že jediný druh žiarenia, ktorý môže byť v rovnováhe so sálajúcimi telesami, je tepelné žiarenie.

Všetky ostatné typy žiarenia sú nerovnovážne.

Schopnosť tepelného žiarenia byť v rovnováhe so sálajúcimi telesami je daná tým, že jeho intenzita sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Predpokladajme, že rovnováha medzi telom a žiarením je narušená a telo viac energie vyžaruje ako absorbuje. Potom sa vnútorná energia tela zníži, čo povedie k zníženiu teploty. To zase spôsobí zníženie množstva energie vyžarovanej telom. Teplota tela sa bude znižovať, kým sa množstvo energie vyžarovanej telom nerovná množstvu absorbovanej energie. Ak je rovnováha narušená v opačnom smere, t. j. množstvo vyžiarenej energie je menšie ako absorbované, teplota telesa sa bude zvyšovať, až kým sa rovnováha opäť neustanoví. Nerovnováha v tele-radiačnom systéme teda spôsobuje vznik procesov, ktoré obnovujú rovnováhu.

Iná situácia je v prípade luminiscencie. Ukážme si to na príklade chemiluminiscencie. Pokiaľ prúdi podmieňujúce žiarenie chemická reakcia, vyžarujúce teleso sa stále viac vzďaľuje od svojho pôvodného stavu. Absorpcia žiarenia telom nezmení smer reakcie, ale naopak povedie k rýchlejšej (v dôsledku zahrievania) reakcii v pôvodnom smere. K nastoleniu rovnováhy dôjde až vtedy, keď sa vyčerpá celá zásoba reagujúcich látok a luminiscencia spôsobená chemickými procesmi sa nahradí tepelným žiarením.

Takže zo všetkých druhov žiarenia môže byť v rovnováhe iba tepelné žiarenie. Komu rovnovážne stavy a procesy uplatňujú zákony termodynamiky. Tepelné žiarenie sa preto musí riadiť určitými všeobecnými zákonmi vyplývajúcimi z princípov termodynamiky. Obrátime sa na zváženie týchto zákonitostí.

elektromagnetická radiácia. Spôsoby aplikácie spektrálna analýza.

Energia žiarenia.

Svetelný zdroj musí spotrebovať energiu. Svetlo sú elektromagnetické vlny s vlnovou dĺžkou 4 10-7 - 8 10-7 m. Elektromagnetické vlny emitované pri rýchly pohyb nabité častice. Tieto nabité častice sú súčasťou atómov. Bez toho, aby sme vedeli, ako je atóm usporiadaný, nemožno o mechanizme žiarenia povedať nič spoľahlivé. Je len jasné, že vnútri atómu nie je žiadne svetlo, rovnako ako nie je zvuk v strune klavíra. Ako struna, ktorá začne znieť až po údere kladivom, atómy rodia svetlo až po ich vybudení.
Aby mohol atóm vyžarovať, potrebuje odovzdať energiu. Atóm vyžarovaním stráca prijatú energiu a pre nepretržitú žiaru látky je nevyhnutný prílev energie k jej atómom zvonku.

Tepelné žiarenie. Najjednoduchším a najbežnejším typom žiarenia je tepelné žiarenie, pri ktorom je strata energie atómami na vyžarovanie svetla kompenzovaná energiou. tepelný pohyb atómy alebo (molekuly) vyžarujúceho telesa.
AT začiatkom XIX v. zistilo sa, že nad (vo vlnovej dĺžke) červenou časťou spektra viditeľné svetlo infračervená časť spektra je okom neviditeľná a pod fialovou časťou spektra viditeľného svetla je neviditeľná ultrafialová časť spektra.
Vlnové dĺžky Infra červená radiácia sú uzavreté v rozmedzí od 3 10-4 do 7,6 10-7 m. charakteristickú vlastnosť toto žiarenie je jeho tepelný efekt. Zdrojom infračervených lúčov je akékoľvek teleso. Intenzita tohto žiarenia je tým vyššia, čím vyššia je teplota tela. Čím vyššia je telesná teplota, tým rýchlejšie sa atómy pohybujú. Pri vzájomnej zrážke rýchlych atómov (molekúl) sa časť ich kinetickej energie premení na excitačnú energiu atómov, ktoré následne vyžarujú svetlo.

Infračervené žiarenie sa skúma pomocou termočlánkov a bolometrov. Princíp činnosti prístrojov nočného videnia je založený na využití infračerveného žiarenia.
Zdrojom tepla žiarenia je Slnko, ale aj obyčajná žiarovka. Svietidlo je veľmi pohodlný, no neekonomický zdroj. Len asi 12 % z celkovej energie uvoľnenej v lampe elektrický šok, sa premieňa na svetelnú energiu. Zdrojom tepla svetla je plameň. Zrnká sadzí sa zahrievajú energiou uvoľnenou pri spaľovaní paliva a vyžarujú svetlo.

Elektroluminiscencia. Energiu, ktorú atómy potrebujú na vyžarovanie svetla, si možno požičať aj z netepelných zdrojov. Pri vybíjaní v plynoch elektrické pole informuje elektróny o väčšom Kinetická energia. Rýchle elektróny zažívajú zrážky s atómami. Časť kinetickej energie elektrónov ide na excitáciu atómov. Vzrušené atómy vydávajú energiu vo forme svetelných vĺn. Vďaka tomu je výboj v plyne sprevádzaný žiarou. Toto je elektroluminiscencia.

katodoluminiscencia. Žiara pevných látok spôsobená ich bombardovaním elektrónmi sa nazýva katodoluminiscencia. Obrazovky katódových trubíc žiaria v dôsledku katodoluminiscencie.

Chemiluminiscencia. Pri niektorých chemických reakciách, ktoré sú spojené s uvoľňovaním energie, sa časť tejto energie minie priamo na emisiu svetla. Svetelný zdroj zostáva studený (má teplotu životné prostredie). Tento jav sa nazýva chemiluminiscencia.

Fotoluminiscencia. Svetlo dopadajúce na látku sa čiastočne odráža a čiastočne absorbuje. Energia absorbovaného svetla spôsobuje vo väčšine prípadov iba zahrievanie telies. Niektoré telesá však samy začnú žiariť priamo pod pôsobením žiarenia, ktoré naň dopadá. Toto je fotoluminiscencia.

Svetlo vzrušuje atómy hmoty (zvyšuje ich vnútornú energiu), po čom sa samé zvýraznia. Napríklad svietiace farby, ktoré pokrývajú mnohé vianočné ozdoby, po ožiarení vyžarujú svetlo. Fotoluminiscencia pevných látok, ako aj špeciálny účel- (generalizované) fosfory, môžu byť nielen vo viditeľnom, ale aj v ultrafialovom a infračervenom rozsahu. Svetlo vyžarované počas fotoluminiscencie má spravidla dlhšiu vlnovú dĺžku ako svetlo, ktoré vyžaruje žiaru. Dá sa to pozorovať experimentálne. Ak svetelný lúč prechádzajúci cez filter fialového svetla smeruje do nádoby s fluorescenčnou látkou (organické farbivo), potom táto kvapalina začne žiariť zeleno-žltým svetlom, teda svetlom s väčšou vlnovou dĺžkou ako má fialové svetlo.
Fenomén fotoluminiscencie je široko používaný v žiarivkách. Sovietsky fyzik S. I. Vavilov navrhol kryť vnútorný povrch výbojka s látkami schopnými jasne žiariť pôsobením krátkovlnného žiarenia plynového výboja.

Rozloženie energie v spektre.

Žiadny zo zdrojov nedáva monochromatické svetlo, teda svetlo presne definovanej vlnovej dĺžky. Presviedčajú nás o tom pokusy o rozklade svetla na spektrum pomocou hranola, ako aj pokusy o interferencii a difrakcii.
Energia, ktorú svetlo zo zdroja nesie so sebou, je určitým spôsobom rozložená vo vlnách všetkých vlnových dĺžok, ktoré tvoria svetelný lúč. Môžeme tiež povedať, že energia je rozdelená na frekvencie, pretože medzi vlnovou dĺžkou a frekvenciou existuje jednoduchý vzťah: ђv = c.
Hustota alebo intenzita toku elektromagnetického žiarenia je určená energiou pripísateľnou všetkým frekvenciám. Na charakterizovanie rozloženia žiarenia na frekvenciách je potrebné zaviesť novú hodnotu: intenzitu na jednotkový frekvenčný interval. Táto hodnota sa nazýva spektrálna hustota intenzity žiarenia.

Pri odhadovaní rozloženia energie sa nemôžete spoliehať na oko. Oko má selektívnu citlivosť na svetlo: maximum jeho citlivosti leží v žltozelenej oblasti spektra. Najlepšie je využiť vlastnosť čierneho telesa takmer úplne absorbovať svetlo všetkých vlnových dĺžok. V tomto prípade energia žiarenia (t.j. svetla) spôsobuje zahrievanie tela. Preto stačí zmerať telesnú teplotu a použiť ju na posúdenie množstva energie absorbovanej za jednotku času.
Bežný teplomer je príliš citlivý na to, aby sa dal úspešne použiť pri takýchto experimentoch. Potrebné sú citlivejšie prístroje na meranie teploty. Môžete si vziať elektrický teplomer, v ktorom snímací prvok vyrobené vo forme tenkej kovovej dosky. Táto platňa musí byť pokrytá tenkou vrstvou sadzí, ktoré takmer úplne absorbujú svetlo akejkoľvek vlnovej dĺžky.
Teplocitlivá doska prístroja by mala byť umiestnená na jednom alebo druhom mieste v spektre. Všetko viditeľné spektrum dĺžka l od červených lúčov po fialovú zodpovedá frekvenčnému rozsahu od IR po UV. Šírka zodpovedá malému intervalu Av. Zahriatím čiernej dosky zariadenia je možné posúdiť hustotu tok žiarenia na frekvenčný interval Priem. Pri pohybe dosky pozdĺž spektra to zistíme väčšina energia dopadá na červenú časť spektra a nie na žltozelenú, ako sa zdá oku.
Na základe výsledkov týchto experimentov je možné vykresliť závislosť spektrálnej hustoty intenzity žiarenia od frekvencie. Spektrálna hustota intenzity žiarenia je určená teplotou platne a frekvenciu nie je ťažké nájsť, ak je zariadenie používané na rozklad svetla kalibrované, teda ak je známe, akej frekvencii zodpovedá daný úsek spektra. do.
Vynesením hodnôt frekvencií zodpovedajúcich stredom intervalov Av a spektrálnej hustoty intenzity žiarenia pozdĺž osi x získame sériu bodov, cez ktoré možno nakresliť hladkú krivku. Táto krivka poskytuje vizuálnu reprezentáciu distribúcie energie a viditeľnú časť spektra elektrického oblúka.

Typy spektier.

Spektrálne zloženie žiarenia rôzne látky veľmi pestrá. Napriek tomu však všetky spektrá, ako ukazuje skúsenosť, možno rozdeliť do troch typov, ktoré sa navzájom líšia.

Spojité spektrá.

Slnečné spektrum alebo spektrum oblúkového svetla je spojité. To znamená, že v spektre sú zastúpené všetky vlnové dĺžky. V spektre nie sú žiadne diskontinuity a na obrazovke spektrografu je možné vidieť súvislý viacfarebný pás.
Rozloženie energie cez frekvencie, teda spektrálna hustota intenzity žiarenia, pre rôzne telá rôzne. Napríklad teleso s veľmi čiernym povrchom vyžaruje elektromagnetické vlny všetkých frekvencií, ale spektrálna hustota krivky intenzity žiarenia verzus frekvencia má maximum pri určitej frekvencii. Energia žiarenia, ktorú možno pripísať veľmi malým a veľmi vysokým frekvenciám, je zanedbateľná. So stúpajúcou teplotou sa maximálna spektrálna hustota žiarenia posúva smerom ku krátkym vlnám.
Spojité (alebo spojité) spektrá, ako ukazujú skúsenosti, dávajú telesá, ktoré sú v pevnej resp tekutom stave a vysoko stlačené plyny. Aby ste získali spojité spektrum, musíte telo zahriať na vysokú teplotu.
Charakter spojitého spektra a samotný fakt jeho existencie určujú nielen vlastnosti jednotlivých žiariacich atómov, ale aj v silný stupeň závisí od vzájomnej interakcie atómov.
Kontinuálne spektrum vytvára aj vysokoteplotná plazma. Elektromagnetické vlny sú vyžarované plazmou hlavne pri zrážke elektrónov s iónmi.

Čiarové spektrá.

Do bledého plameňa plynového horáka vložíme kúsok azbestu navlhčený obyčajným roztokom stolová soľ. Pri pozorovaní plameňa cez spektroskop bliká jasne žltá čiara na pozadí sotva rozlíšiteľného súvislého spektra plameňa. Táto žltá čiara je daná parami sodíka, ktoré vznikajú pri štiepení molekúl chloridu sodného v plameni. Na spektroskope je možné vidieť aj palisádu farebných čiar rôzneho jasu, oddelených širokými tmavými pásmi. Takéto spektrá sa nazývajú čiarové spektrá. Prítomnosť čiarového spektra znamená, že látka vyžaruje svetlo len celkom určitých vlnových dĺžok (presnejšie v určitých veľmi úzkych spektrálnych intervaloch). Každá z čiar má konečnú šírku.
Čiarové spektrá sa vyskytujú iba v látkach v atómovom stave (nie však v molekulových). V tomto prípade je svetlo vyžarované atómami, ktoré prakticky navzájom neinteragujú. Toto je najzákladnejší, základný typ spektra. Hlavnou vlastnosťou čiarových spektier je, že izolované atómy daného chemického prvku emitujú presne definované, neopakujúce sa sekvencie vlnových dĺžok. Dva rôzne prvky neexistuje jediná sekvencia vlnových dĺžok. Spektrálne pásy sa objavujú na výstupe spektrálneho zariadenia namiesto vlnovej dĺžky, ktorá je emitovaná zo zdroja. Zvyčajne sa na pozorovanie čiarových spektier používa žiara pár látky v plameni alebo žiara výboja plynu v trubici naplnenej skúmaným plynom.
S nárastom hustoty atómového plynu, individuálne spektrálne čiary expandovať a napokon pri veľmi vysoká hustota plyn, keď sa interakcia atómov stane významnou, tieto čiary sa navzájom prekrývajú a vytvárajú spojité spektrum.

Pruhované spektrá.

Pruhované spektrum pozostáva z jednotlivých pásov oddelených tmavými medzerami. Pomocou veľmi dobrého spektrálneho aparátu sa dá zistiť, že každé pásmo je zbierka Vysoké číslo veľmi tesne rozmiestnené čiary. Na rozdiel od čiarových spektier pásikové spektrá nevytvárajú atómy, ale molekuly, ktoré nie sú viazané alebo sú slabo viazané. viazaný priateľ s priateľom.
Na pozorovanie molekulových spektier, ako aj na pozorovanie čiarových spektier, sa zvyčajne používa žiara pár v plameni alebo žiara plynového výboja.

Emisné a absorpčné spektrá.

Všetky látky, ktorých atómy sú v excitovanom stave, emitujú svetelné vlny, ktorého energia je rozložená určitým spôsobom na vlnových dĺžkach. Absorpcia svetla látkou závisí aj od vlnovej dĺžky. Červené sklo teda prepúšťa vlny zodpovedajúce červenému svetlu (l»8 10-5 cm) a absorbuje všetko ostatné.
Ak preskočte biele svetlo cez studený, nežiariaci plyn sa na pozadí súvislého spektra zdroja objavujú tmavé čiary. Plyn absorbuje najintenzívnejšie svetlo práve tých vlnových dĺžok, ktoré vyžaruje, keď je veľmi horúci. Tmavé čiary na pozadí spojitého spektra sú absorpčné čiary, ktoré spolu tvoria absorpčné spektrum.
Existujú spojité, čiarové a pruhované emisné spektrá a rovnaký počet absorpčných spektier.

Spektrálna analýza a jej aplikácia.

Je dôležité vedieť, z čoho sa skladajú telá okolo nás. Na určenie ich zloženia bolo navrhnutých mnoho metód. Ale zloženie hviezd a galaxií môže byť známe iba pomocou spektrálnej analýzy.

Metóda stanovenia kvalitatívneho a kvantitatívneho zloženia látky jej spektrom sa nazýva spektrálna analýza. Spektrálna analýza sa široko používa pri prieskume nerastov na určenie chemického zloženia vzoriek rudy. V priemysle spektrálna analýza umožňuje kontrolovať zloženie zliatin a nečistôt zavádzaných do kovov, aby sa získali materiály s požadovanými vlastnosťami. Hrajú najmä čiarové spektrá dôležitá úloha, pretože ich štruktúra priamo súvisí so štruktúrou atómu. Koniec koncov, tieto spektrá vytvárajú atómy, ktoré nepodliehajú vonkajším vplyvom. Preto, keď sa zoznámime s čiarovými spektrami, urobíme prvý krok k štúdiu štruktúry atómov. Pozorovaním týchto spektier sa vedcom podarilo „nahliadnuť“ do vnútra atómu. Tu sa optika dostáva do úzkeho kontaktu s atómovou fyzikou.
Hlavnou vlastnosťou čiarových spektier je, že vlnové dĺžky (alebo frekvencie) čiarového spektra látky závisia len od vlastností atómov tejto látky, ale sú úplne nezávislé od spôsobu budenia luminiscencie atómov. Atómy akéhokoľvek chemického prvku vydávajú spektrum na rozdiel od spektier všetkých ostatných prvkov: sú schopné vyžarovať presne definovaný súbor vlnových dĺžok.
Na tom je založená spektrálna analýza - metóda na určenie chemického zloženia látky z jej spektra.

Ako ľudské odtlačky prstov čiarové spektrá mať jedinečnú osobnosť. Jedinečnosť vzorov na koži prsta často pomáha nájsť zločinca. Rovnakým spôsobom, vzhľadom na individualitu spektier, je možné určiť chemické zloženie telo. Pomocou spektrálnej analýzy môžete tento prvok v kompozícii zistiť komplexná látka, aj keď jeho hmotnosť nepresahuje 10-10. Ide o veľmi citlivú metódu.
Štúdium čiarového spektra látky umožňuje určiť, z ktorej chemické prvky pozostáva a v akom množstve je každý prvok obsiahnutý v tejto látke.
Kvantitatívny obsah prvku v skúmanej vzorke sa zisťuje porovnaním intenzity jednotlivých čiar spektra tohto prvku s intenzitou čiar iného chemického prvku, ktorého kvantitatívny obsah vo vzorke je známy.
Kvantitatívna analýza zloženia látky podľa jej spektra je náročná, pretože jas spektrálnych čiar závisí nielen od hmotnosti látky, ale aj od spôsobu budenia žiary. Áno, o nízke teploty veľa spektrálnych čiar sa vôbec neobjaví. Avšak za štandardných podmienok pre excitáciu luminiscencie sa môže uskutočniť aj kvantitatívna spektrálna analýza.
Výhody spektrálnej analýzy sú vysoká citlivosť a rýchlosť výsledkov. Pomocou spektrálnej analýzy je možné zistiť prítomnosť zlata vo vzorke s hmotnosťou 6 10-7 g, pričom jej hmotnosť je len 10-8 g. Stanovenie triedy ocele spektrálnou analýzou je možné vykonať v niekoľkých desiatkach sekúnd.
Spektrálna analýza vám umožňuje určiť chemické zloženie nebeských telies miliardy svetelných rokov od Zeme. Chemické zloženie atmosfér planét a hviezd, studeného plynu v medzihviezdnom priestore je určené absorpčnými spektrami.
Štúdiom spektier boli vedci schopní určiť nielen chemické zloženie nebeských telies, ale aj ich teplotu. Posunom spektrálnych čiar možno určiť rýchlosť nebeského telesa.

V súčasnosti sú už určené spektrá všetkých atómov a zostavené tabuľky spektier. Pomocou spektrálnej analýzy bolo objavených mnoho nových prvkov: rubídium, cézium atď. Prvky boli často pomenované podľa farby najintenzívnejších čiar spektra. Rubídium dáva tmavo červené, rubínové čiary. Slovo cézium znamená „nebeská modrá“. Toto je farba hlavných čiar céziového spektra.
Chemické zloženie Slnka a hviezd sa naučili pomocou spektrálnej analýzy. Iné metódy analýzy sú tu vo všeobecnosti nemožné. Ukázalo sa, že hviezdy sú zložené z rovnakých chemických prvkov, aké sa nachádzajú na Zemi. Je zvláštne, že hélium bolo pôvodne objavené na Slnku a až potom sa našlo v zemskej atmosfére. Názov tohto prvku pripomína históriu jeho objavenia: slovo hélium znamená v preklade „slnečné“.
Vďaka svojej relatívnej jednoduchosti a všestrannosti je spektrálna analýza hlavnou metódou sledovania zloženia látky v metalurgii, strojárstve a jadrovom priemysle. Pomocou spektrálnej analýzy sa určuje chemické zloženie rúd a minerálov.
Zloženie komplexných, najmä organických zmesí sa analyzuje ich molekulovým spektrom.
Spektrálnu analýzu možno vykonávať nielen z emisných spektier, ale aj z absorpčných spektier. Práve absorpčné čiary v spektre Slnka a hviezd umožňujú skúmať chemické zloženie týchto nebeských telies. Jasne svietiaci povrch Slnka - fotosféra - dáva súvislé spektrum. slnečná atmosféra selektívne absorbuje svetlo z fotosféry, čo vedie k vzniku absorpčných čiar na pozadí súvislého spektra fotosféry.
Ale samotná atmosféra Slnka vyžaruje svetlo. Počas zatmenia Slnka, kedy solárny disk uzavretý Mesiacom, sú čiary spektra obrátené. Namiesto absorpčných čiar v slnečnom spektre blikajú emisné čiary.
V astrofyzike sa spektrálna analýza chápe nielen na určenie chemického zloženia hviezd, oblakov plynu atď., ale aj na nájdenie mnohých ďalších fyzicka charakteristika tieto objekty: teplota, tlak, rýchlosť, magnetická indukcia.
Okrem astrofyziky sa spektrálna analýza široko používa vo forenznej oblasti na vyšetrenie dôkazov nájdených na mieste činu. Spektrálna analýza vo forenznej oblasti tiež pomáha určiť vražednú zbraň a vo všeobecnosti odhaliť niektoré podrobnosti o zločine.
Spektrálna analýza sa v medicíne používa ešte viac. Tu je jeho uplatnenie veľmi široké. Môže sa použiť na diagnostiku, ako aj na stanovenie cudzorodých látok v ľudskom tele.
Spektrálna analýza vyžaduje špeciálne spektrálne prístroje, o ktorých budeme ďalej uvažovať.

Spektrálne zariadenia.

Na presné štúdium spektier už nestačia také jednoduché zariadenia ako úzka štrbina obmedzujúca svetelný lúč a hranol. Sú potrebné nástroje, ktoré poskytujú jasné spektrum, t.j. nástroje, ktoré dobre oddeľujú vlny rôzne dĺžky a neprekrývajúce sa jednotlivé sekcie spektrum. Takéto zariadenia sa nazývajú spektrálne zariadenia. Najčastejšie je hlavnou súčasťou spektrálneho aparátu hranol alebo difrakčná mriežka.
Zvážte schému zariadenia hranolového spektrálneho prístroja. Skúmané žiarenie sa najskôr dostane do časti zariadenia nazývanej kolimátor. Kolimátor je trubica, na ktorej jednom konci je obrazovka s úzkou štrbinou a na druhej strane zbiehajúca sa šošovka. Medzera je zapnutá ohnisková vzdialenosť z objektívu. Preto divergentný svetelný lúč, ktorý vstupuje do šošovky zo štrbiny, ju opúšťa v paralelnom lúči a dopadá na hranol.
Ako rôzne frekvencie zodpovedajú rôznym indexom lomu, potom z hranola vychádzajú rovnobežné lúče, ktoré sa nezhodujú v smere. Padajú na objektív. V ohniskovej vzdialenosti tohto objektívu je obrazovka - matné sklo alebo fotografická doska. Šošovka sústreďuje paralelné lúče lúčov na obrazovku a namiesto jedného obrazu štrbiny, celý riadok snímky. Každá frekvencia (úzky spektrálny interval) má svoj vlastný obraz. Všetky tieto obrazy spolu tvoria spektrum.
Opísaný prístroj sa nazýva spektrograf. Ak sa namiesto druhej šošovky a obrazovky použije na vizuálne pozorovanie spektier teleskop, potom sa zariadenie nazýva spektroskop. Hranoly a ďalšie detaily spektrálnych zariadení nemusia byť nevyhnutne vyrobené zo skla. Namiesto skla sa používajú aj priehľadné materiály ako kremeň, kamenná soľ a pod.

Úvod ………………………………………………………………………………………………….2

Mechanizmus žiarenia………………………………………………………………………………..3

Rozloženie energie v spektre………………………………………………………………..4

Typy spektier……………………………………………………………………………….. 6

Typy spektrálnej analýzy……………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………….

Záver……………………………………………………………………………………….. 9

Literatúra……………………………………………………………………………………….. 11

Úvod

Spektrum je rozklad svetla na jeho zložky, lúče rôznych farieb.

Metóda štúdia chemického zloženia rôznych látok pomocou ich čiarových emisných alebo absorpčných spektier sa nazýva tzv spektrálna analýza. Spektrálna analýza vyžaduje zanedbateľné množstvo látky. Rýchlosť a citlivosť urobili túto metódu nenahraditeľnou ako v laboratóriách, tak aj v astrofyzike. Keďže každý chemický prvok periodickej tabuľky vyžaruje čiarové emisné a absorpčné spektrum charakteristické len pre neho, umožňuje to študovať chemické zloženie látky. Fyzici Kirchhoff a Bunsen sa ho prvýkrát pokúsili vyrobiť v roku 1859, keď ho postavili spektroskop. Svetlo do nej prechádzalo úzkou štrbinou vyrezanou z jedného okraja ďalekohľadu (táto rúrka so štrbinou sa nazýva kolimátor). Z kolimátora dopadali lúče na hranol pokrytý škatuľkou polepenou vo vnútri čiernym papierom. Hranol odkláňal nabok lúče, ktoré vychádzali zo štrbiny. Bolo tam spektrum. Potom bolo okno zavesené závesom a zapálený horák bol umiestnený na štrbinu kolimátora. Kúsky rôznych látok sa jeden po druhom zavádzali do plameňa sviečky a druhým ďalekohľadom sa pozeralo na výsledné spektrum. Ukázalo sa, že horúce pary každého prvku dávajú lúče presne definovanej farby a hranol tieto lúče odkláňa na presne definované miesto, a preto žiadna farba nemôže maskovať druhú. To viedlo k záveru, že bola nájdená radikálne nová metóda chemickej analýzy - pomocou spektra látky. V roku 1861 Kirchhoff na základe tohto objavu dokázal prítomnosť množstva prvkov v slnečnej chromosfére, čím položil základy astrofyziky.

Radiačný mechanizmus

Svetelný zdroj musí spotrebovať energiu. Svetlo sú elektromagnetické vlny s vlnovou dĺžkou 4 * 10 -7 - 8 * 10 -7 m. Elektromagnetické vlny sú vyžarované pri zrýchlenom pohybe nabitých častíc. Tieto nabité častice sú súčasťou atómov. Bez toho, aby sme vedeli, ako je atóm usporiadaný, nemožno o mechanizme žiarenia povedať nič spoľahlivé. Je len jasné, že vnútri atómu nie je žiadne svetlo, rovnako ako nie je zvuk v strune klavíra. Ako struna, ktorá začne znieť až po údere kladivom, atómy rodia svetlo až po ich vybudení.

Aby mohol atóm vyžarovať, potrebuje odovzdať energiu. Atóm vyžarovaním stráca prijatú energiu a pre nepretržitú žiaru látky je nevyhnutný prílev energie k jej atómom zvonku.

Tepelné žiarenie. Najjednoduchším a najbežnejším typom žiarenia je tepelné žiarenie, pri ktorom je strata energie atómov pre emisiu svetla kompenzovaná energiou tepelného pohybu atómov alebo (molekúl) vyžarujúceho telesa. Čím vyššia je telesná teplota, tým rýchlejšie sa atómy pohybujú. Pri vzájomnej zrážke rýchlych atómov (molekúl) sa časť ich kinetickej energie premení na excitačnú energiu atómov, ktoré následne vyžarujú svetlo.

Zdrojom tepla žiarenia je Slnko, ale aj obyčajná žiarovka. Svietidlo je veľmi pohodlný, no neekonomický zdroj. Len asi 12 % všetkej energie uvoľnenej v lampe elektrickým prúdom sa premení na svetelnú energiu. Zdrojom tepla svetla je plameň. Zrnká sadzí sa zahrievajú energiou uvoľnenou pri spaľovaní paliva a vyžarujú svetlo.

Elektroluminiscencia. Energiu, ktorú atómy potrebujú na vyžarovanie svetla, si možno požičať aj z netepelných zdrojov. Pri vybíjaní v plynoch dodáva elektrické pole elektrónom veľkú kinetickú energiu. Rýchle elektróny zažívajú zrážky s atómami. Časť kinetickej energie elektrónov ide na excitáciu atómov. Excitované atómy vydávajú energiu vo forme svetelných vĺn. Vďaka tomu je výboj v plyne sprevádzaný žiarou. Toto je elektroluminiscencia.

katodoluminiscencia.Žiara pevných látok spôsobená ich bombardovaním elektrónmi sa nazýva katodoluminiscencia. Katodoluminiscencia spôsobuje, že obrazovky katódových trubíc na televízoroch svietia.

Chemiluminiscencia. Pri niektorých chemických reakciách, ktoré sú spojené s uvoľňovaním energie, sa časť tejto energie minie priamo na emisiu svetla. Svetelný zdroj zostáva studený (má okolitú teplotu). Tento jav sa nazýva chemioluminiscencia.

Fotoluminiscencia. Svetlo dopadajúce na látku sa čiastočne odráža a čiastočne absorbuje. Energia absorbovaného svetla spôsobuje vo väčšine prípadov iba zahrievanie telies. Niektoré telesá však samy začnú žiariť priamo pod pôsobením žiarenia, ktoré naň dopadá. Toto je fotoluminiscencia. Svetlo vzrušuje atómy hmoty (zvyšuje ich vnútornú energiu), po čom sa samé zvýraznia. Napríklad svietiace farby, ktoré pokrývajú mnohé vianočné ozdoby, po ožiarení vyžarujú svetlo.

Svetlo vyžarované počas fotoluminiscencie má spravidla dlhšiu vlnovú dĺžku ako svetlo, ktoré vyžaruje žiaru. Dá sa to pozorovať experimentálne. Ak nasmerujete svetelný lúč na nádobu s fluoresceitom (organické farbivo),

prejde cez filter fialového svetla, potom táto kvapalina začne žiariť zeleno-žltým svetlom, teda svetlom s väčšou vlnovou dĺžkou ako má fialové svetlo.

Fenomén fotoluminiscencie je široko používaný v žiarivkách. Sovietsky fyzik S.I.Vavilov navrhol pokryť vnútorný povrch výbojky látkami schopnými jasne žiariť pôsobením krátkovlnného žiarenia plynového výboja. Žiarivky sú približne tri až štyrikrát úspornejšie ako bežné žiarovky.

Sú uvedené hlavné typy žiarenia a zdroje, ktoré ich vytvárajú. Najbežnejšími zdrojmi žiarenia sú tepelné.

Rozloženie energie v spektre

Na tienidle za refrakčným hranolom sú monochromatické farby v spektre usporiadané v nasledujúcom poradí: červená (má najväčšiu vlnovú dĺžku spomedzi vĺn viditeľného svetla (k = 7,6 (10-7 m a najnižší index lomu), oranžová), žltá, zelená, modrá, modrá a fialová (s najmenšou vlnovou dĺžkou vo viditeľnom spektre (f = 4 (10-7 m a najvyšší index lomu). Žiadny zo zdrojov nedáva monochromatické svetlo, teda svetlo presne definovaného Presvedčili nás o tom pokusy o rozklade svetla na spektrum pomocou hranolu, ako aj pokusy o interferencii a difrakcii.

Energia, ktorú svetlo zo zdroja nesie so sebou, je určitým spôsobom rozložená vo vlnách všetkých vlnových dĺžok, ktoré tvoria svetelný lúč. Môžeme tiež povedať, že energia je rozdelená medzi frekvencie, pretože medzi vlnovou dĺžkou a frekvenciou existuje jednoduchý vzťah: v = c.

Hustota toku elektromagnetického žiarenia alebo intenzita / je určená energiou &W pripísateľnou všetkým frekvenciám. Na charakterizáciu rozloženia žiarenia na frekvenciách je potrebné zaviesť novú veličinu: intenzitu na jednotkový frekvenčný interval. Táto hodnota sa nazýva spektrálna hustota intenzity žiarenia.

Spektrálna hustota toku žiarenia sa dá zistiť experimentálne. Ak to chcete urobiť, musíte použiť hranol, aby ste sa dostali emisné spektrum napríklad elektrický oblúk a zmerajte hustotu toku žiarenia na malé spektrálne intervaly šírky Av.

Bežný teplomer je príliš citlivý na to, aby sa dal úspešne použiť pri takýchto experimentoch. Potrebné sú citlivejšie prístroje na meranie teploty. Môžete si vziať elektrický teplomer, v ktorom je citlivý prvok vyrobený vo forme tenkej kovovej dosky. Táto platňa musí byť pokrytá tenkou vrstvou sadzí, ktoré takmer úplne absorbujú svetlo akejkoľvek vlnovej dĺžky.

Teplocitlivá doska prístroja by mala byť umiestnená na jednom alebo druhom mieste v spektre. Celé viditeľné spektrum dĺžky l od červených lúčov po fialové zodpovedá frekvenčnému intervalu od v kr po y f. Šírka zodpovedá malému intervalu Av. Zahriatím čiernej platne zariadenia je možné posúdiť hustotu toku žiarenia na frekvenčný interval Av. Pohybom dosky pozdĺž spektra zistíme, že väčšina energie je v červenej časti spektra a nie v žltozelenej, ako sa zdá oku.

Na základe výsledkov týchto experimentov je možné vykresliť závislosť spektrálnej hustoty intenzity žiarenia od frekvencie. Spektrálna hustota intenzity žiarenia je určená teplotou platne a frekvenciu nie je ťažké nájsť, ak je zariadenie používané na rozklad svetla kalibrované, teda ak je známe, akej frekvencii zodpovedá daný úsek spektra. do.

Vynesením hodnôt frekvencií zodpovedajúcich stredom intervalov Av a spektrálnej hustoty intenzity žiarenia pozdĺž osi x získame sériu bodov, cez ktoré možno nakresliť hladkú krivku. Táto krivka poskytuje vizuálnu reprezentáciu distribúcie energie a viditeľnú časť spektra elektrického oblúka.

Spektrálne zariadenia. Na presné štúdium spektier už nestačia také jednoduché zariadenia ako úzka štrbina obmedzujúca svetelný lúč a hranol. Potrebné sú prístroje, ktoré dávajú čisté spektrum, teda prístroje, ktoré dobre oddeľujú vlny rôznych vlnových dĺžok a neumožňujú prekrývanie jednotlivých úsekov spektra. Takéto zariadenia sa nazývajú spektrálne zariadenia. Najčastejšie je hlavnou súčasťou spektrálneho aparátu hranol alebo difrakčná mriežka.

Zvážte schému zariadenia hranolového spektrálneho prístroja. Skúmané žiarenie sa najskôr dostane do časti zariadenia nazývanej kolimátor. Kolimátor je trubica, na ktorej jednom konci je obrazovka s úzkou štrbinou a na druhej strane zbiehajúca sa šošovka. Štrbina je v ohniskovej vzdialenosti od šošovky. Preto divergentný svetelný lúč, ktorý vstupuje do šošovky zo štrbiny, ju opúšťa v paralelnom lúči a dopadá na hranol.

Keďže rôzne frekvencie zodpovedajú rôznym indexom lomu, z hranola vychádzajú paralelné lúče, ktoré sa v smere nezhodujú. Padajú na objektív. Na ohniskovej vzdialenosti tohto objektívu je clona - matné sklo resp

fotografická doska. Šošovka sústreďuje rovnobežné lúče lúčov na obrazovku a namiesto jedného obrazu štrbiny sa získa celý rad obrazov. Každá frekvencia (úzky spektrálny interval) má svoj vlastný obraz. Všetky tieto obrazy spolu tvoria spektrum.

Opísaný prístroj sa nazýva spektrograf. Ak sa namiesto druhej šošovky a obrazovky použije na vizuálne pozorovanie spektier teleskop, potom sa prístroj nazýva spektroskop, ako je opísané vyššie. Hranoly a ďalšie detaily spektrálnych zariadení nemusia byť nevyhnutne vyrobené zo skla. Namiesto skla sa používajú aj priehľadné materiály ako kremeň, kamenná soľ a pod.

Typy spektier

Spektrálne zloženie žiarenia látok je veľmi rôznorodé. Napriek tomu však všetky spektrá, ako ukazuje skúsenosť, možno rozdeliť do niekoľkých typov:

Spojité spektrá. Slnečné spektrum alebo spektrum oblúkového svetla je spojité. To znamená, že v spektre sú zastúpené všetky vlnové dĺžky. V spektre nie sú žiadne diskontinuity a na obrazovke spektrografu je možné vidieť súvislý viacfarebný pás.

Frekvenčné rozloženie energie, teda spektrálna hustota intenzity žiarenia, je pre rôzne telesá rôzne. Napríklad teleso s veľmi čiernym povrchom vyžaruje elektromagnetické vlny všetkých frekvencií, ale krivka závislosti spektrálnej hustoty intenzity žiarenia od frekvencie má maximum pri určitej frekvencii. Energia žiarenia, ktorú možno pripísať veľmi malým a veľmi vysokým frekvenciám, je zanedbateľná. So stúpajúcou teplotou sa maximálna spektrálna hustota žiarenia posúva smerom ku krátkym vlnám.

Kontinuálne (alebo spojité) spektrá, ako ukazujú skúsenosti, poskytujú telesá, ktoré sú v pevnom alebo kvapalnom stave, ako aj vysoko stlačené plyny. Aby ste získali spojité spektrum, musíte telo zahriať na vysokú teplotu.

Povaha spojitého spektra a samotný fakt jeho existencie sú určené nielen vlastnosťami jednotlivých vyžarujúcich atómov, ale do značnej miery závisia aj od vzájomného pôsobenia atómov.

Kontinuálne spektrum vytvára aj vysokoteplotná plazma. Elektromagnetické vlny sú vyžarované plazmou hlavne pri zrážke elektrónov s iónmi.

Čiarové spektrá. Do svetlého plameňa plynového horáka vložíme kúsok azbestu namočený v roztoku kuchynskej soli.

Pri pozorovaní plameňa cez spektroskop bliká jasne žltá čiara na pozadí sotva rozlíšiteľného súvislého spektra plameňa. Táto žltá čiara je daná parami sodíka, ktoré vznikajú pri štiepení molekúl chloridu sodného v plameni. Každá z nich je palisádou farebných línií rôzneho jasu, oddelených širokou tmou

pruhy. Takéto spektrá sa nazývajú čiarové spektrá. Prítomnosť čiarového spektra znamená, že látka vyžaruje svetlo len celkom určitých vlnových dĺžok (presnejšie v určitých veľmi úzkych spektrálnych intervaloch). Každý riadok má konečnú šírku.

Čiarové spektrá poskytujú všetky látky v plynnom atómovom (ale nie molekulárnom) stave. V tomto prípade je svetlo vyžarované atómami, ktoré prakticky navzájom neinteragujú. Toto je najzákladnejší, základný typ spektra.

Izolované atómy vyžarujú presne definované vlnové dĺžky. Zvyčajne sa čiarové spektrá pozorujú pomocou žiary pár látky v plameni alebo žiary plynového výboja v trubici naplnenej skúmaným plynom.

S nárastom hustoty atómového plynu sa jednotlivé spektrálne čiary rozširujú a nakoniec pri veľmi veľkom stlačení plynu, keď sa interakcia atómov stane významnou, sa tieto čiary navzájom prekrývajú a vytvárajú spojité spektrum.

Pruhované spektrá. Pruhované spektrum pozostáva z jednotlivých pásov oddelených tmavými medzerami. Pomocou veľmi dobrého spektrálneho prístroja je možné

zistíte, že každý pás je zbierkou veľkého počtu veľmi blízko umiestnených čiar. Na rozdiel od čiarových spektier nie sú pruhované spektrá produkované atómami, ale molekulami, ktoré nie sú viazané alebo sú navzájom slabo viazané.

Na pozorovanie molekulových spektier, ako aj na pozorovanie čiarových spektier, sa zvyčajne používa žiara pár v plameni alebo žiara plynového výboja.

Absorpčné spektrá. Všetky látky, ktorých atómy sú v excitovanom stave, vyžarujú svetelné vlny, ktorých energia je určitým spôsobom rozložená po vlnových dĺžkach. Absorpcia svetla látkou závisí aj od vlnovej dĺžky. Červené sklo teda prepúšťa vlny zodpovedajúce červenému svetlu a pohlcuje všetky ostatné.

Ak biele svetlo prechádza cez studený, nežiariaci plyn, potom sa na pozadí súvislého spektra zdroja objavia tmavé čiary. Plyn absorbuje najintenzívnejšie svetlo práve tých vlnových dĺžok, ktoré vyžaruje, keď je veľmi horúci. Tmavé čiary na pozadí spojitého spektra sú absorpčné čiary, ktoré spolu tvoria absorpčné spektrum.

Existujú spojité, čiarové a pruhované emisné spektrá a rovnaký počet absorpčných spektier.

Čiarové spektrá hrajú obzvlášť dôležitú úlohu, pretože ich štruktúra priamo súvisí so štruktúrou atómu. Koniec koncov, tieto spektrá vytvárajú atómy, ktoré nepodliehajú vonkajším vplyvom. Preto, keď sa zoznámime s čiarovými spektrami, urobíme prvý krok k štúdiu štruktúry atómov. Pozorovaním týchto spektier vedci získali

schopnosť „nahliadnuť“ do vnútra atómu. Tu sa optika dostáva do úzkeho kontaktu s atómovou fyzikou.

Typy spektrálnych analýz

Hlavnou vlastnosťou čiarových spektier je, že vlnové dĺžky (alebo frekvencie) čiarového spektra látky závisia len od vlastností atómov tejto látky, ale sú úplne nezávislé od spôsobu budenia luminiscencie atómov. atómov

akéhokoľvek chemického prvku poskytujú spektrum, ktoré nie je podobné spektrám všetkých ostatných prvkov: sú schopné vyžarovať presne definovaný súbor vlnových dĺžok.

Na tom je založená spektrálna analýza - metóda na určenie chemického zloženia látky z jej spektra. Rovnako ako ľudské odtlačky prstov, aj čiarové spektrá majú jedinečnú osobnosť. Jedinečnosť vzorov na koži prsta často pomáha nájsť zločinca. Rovnakým spôsobom, vzhľadom na individualitu spektier, existuje

schopnosť určiť chemické zloženie tela. Pomocou spektrálnej analýzy môžete tento prvok zistiť v zložení komplexnej látky. Ide o veľmi citlivú metódu.

V súčasnosti známe nasledujúce typy spektrálne analýzy - atómová spektrálna analýza (ASA)(určuje elementárne zloženie vzorky z atómových (iónových) emisných a absorpčných spektier), emisie ACA(podľa emisných spektier atómov, iónov a molekúl excitovaných rôznymi zdrojmi elektromagnetického žiarenia v rozsahu od g-žiarenia po mikrovlny), atómová absorpcia SA(vykonáva sa podľa absorpčných spektier elektromagnetického žiarenia analyzovanými objektmi (atómy, molekuly, ióny látky v rôznom stave agregácie)), atómová fluorescencia SA, molekulárna spektrálna analýza (MSA) (molekulové zloženie látok molekulárnymi spektrami absorpcie, luminiscencie a Ramanovho rozptylu svetla.), kvalita ISA(stačí zistiť prítomnosť alebo neprítomnosť analytických čiar prvkov, ktoré sa stanovujú. Podľa jasu čiar počas vizuálneho pozorovania je možné poskytnúť hrubý odhad obsahu určitých prvkov vo vzorke), kvantitatívna ISA(vykonáva sa porovnaním intenzít dvoch spektrálnych čiar v spektre vzorky, z ktorých jedna patrí prvku, ktorý sa určuje, a druhá (porovnávacia čiara) hlavnému prvku vzorky, ktorého koncentrácia je známa, alebo prvok špeciálne zavedený v známej koncentrácii).

ISA je založená na kvalitatívnom a kvantitatívnom porovnaní nameraného spektra testovanej vzorky so spektrami jednotlivých látok. Podľa toho sa rozlišuje medzi kvalitatívnym a kvantitatívnym ISA. V MSA sa používajú rôzne typy molekulových spektier, rotačné [spektrá v mikrovlnnej a dlhovlnnej infračervenej (IR) oblasti], vibračné a vibračno-rotačné [absorpčné a emisné spektrá v strednej IR oblasti, Ramanove spektrá, IR fluorescenčné spektrá ], elektronické, elektronicko-vibračné a elektronicko-vibračné-rotačné [absorpčné a transmisné spektrá vo viditeľnej a ultrafialovej (UV) oblasti, fluorescenčné spektrá]. ISA umožňuje analýzu malých množstiev (v niektorých prípadoch zlomkov mcg a menej) látky v rôznych stavoch agregácie.

Kvantitatívna analýza zloženia látky podľa jej spektra je náročná, pretože jas spektrálnych čiar závisí nielen od hmotnosti látky, ale aj od spôsobu budenia žiary. Pri nízkych teplotách sa teda veľa spektrálnych čiar vôbec neobjaví. Avšak za štandardných podmienok pre excitáciu luminiscencie sa môže uskutočniť aj kvantitatívna spektrálna analýza.

Najpresnejšia z týchto analýz je atómová absorpcia SA. Technika AAA je v porovnaní s inými metódami oveľa jednoduchšia, vyznačuje sa vysokou presnosťou pri určovaní nielen malých, ale aj vysokých koncentrácií prvkov vo vzorkách. AAA úspešne nahrádza prácne a zdĺhavé chemické metódy analýza, nie je nižšia ako ich presnosť.

Záver

V súčasnosti sú už určené spektrá všetkých atómov a zostavené tabuľky spektier. Pomocou spektrálnej analýzy bolo objavených veľa nových prvkov: rubídium, cézium atď. Prvky boli často pomenované podľa farby najintenzívnejších čiar spektra. Rubídium dáva tmavo červené, rubínové čiary. Slovo cézium znamená „nebeská modrá“. Toto je farba hlavných čiar céziového spektra.

Chemické zloženie Slnka a hviezd sa naučili pomocou spektrálnej analýzy. Iné metódy analýzy sú tu vo všeobecnosti nemožné. Ukázalo sa, že hviezdy sú zložené z rovnakých chemických prvkov, aké sa nachádzajú na Zemi. Je zvláštne, že hélium bolo pôvodne objavené na Slnku a až potom sa našlo v zemskej atmosfére. Názov tohto

prvok pripomína históriu svojho objavu: slovo hélium znamená v preklade „slnečné“.

Vďaka svojej relatívnej jednoduchosti a všestrannosti je spektrálna analýza hlavnou metódou sledovania zloženia látky v metalurgii, strojárstve a jadrovom priemysle. Pomocou spektrálnej analýzy sa určuje chemické zloženie rúd a minerálov.

Zloženie komplexných, najmä organických zmesí sa analyzuje ich molekulovým spektrom.

Spektrálnu analýzu možno vykonávať nielen z emisných spektier, ale aj z absorpčných spektier. Práve absorpčné čiary v spektre Slnka a hviezd umožňujú skúmať chemické zloženie týchto nebeských telies. Jasne svietiaci povrch Slnka - fotosféra - dáva súvislé spektrum. Slnečná atmosféra selektívne absorbuje svetlo z fotosféry, čo vedie k vzniku absorpčných čiar na pozadí súvislého spektra fotosféry.

Ale samotná atmosféra Slnka vyžaruje svetlo. Počas zatmenia Slnka, keď je slnečný disk pokrytý Mesiacom, sú čiary spektra obrátené. Namiesto absorpčných čiar v slnečnom spektre blikajú emisné čiary.

V astrofyzike sa spektrálna analýza chápe nielen na určenie chemického zloženia hviezd, oblakov plynu atď., ale aj na zistenie mnohých

ďalšie fyzikálne charakteristiky týchto objektov: teplota, tlak, rýchlosť, magnetická indukcia.

Expresné metódy ASA sú široko používané v priemysle, poľnohospodárstve, geológii a mnohých ďalších oblastiach národného hospodárstva a vedy. ASA zohráva významnú úlohu v jadrovej technike, výrobe čistých polovodičových materiálov, supravodičov atď. Viac ako 3/4 všetkých analýz v metalurgii sa vykonáva metódami ASA. Pomocou kvantometrov sa vykoná operačný postup (do 2-3 min) kontrola počas tavenia v priemysle s otvoreným ohniskom a konvertorom. V geológii a geologickom prieskume sa ročne vykoná okolo 8 miliónov analýz na vyhodnotenie ložísk. ASA sa používa pri ochrane životného prostredia a analýze pôdy, forenznej a medicíne, geológii morského dna a výskume zloženia hornej atmosféry,

oddeľovanie izotopov a určovanie veku a zloženia geologických a archeologických objektov a pod.

Takže spektrálna analýza sa používa takmer vo všetkých hlavných oblastiach ľudskej činnosti. Spektrálna analýza je teda jedným z najdôležitejších aspektov rozvoja nielen vedeckého pokroku, ale aj samotnej úrovne ľudského života.

Literatúra

Zaidel A. N., Základy spektrálnej analýzy, M., 1965,

Metódy spektrálnej analýzy, M, 1962;

Chulanovský V. M., Úvod do molekulovej spektrálnej analýzy, M. - L., 1951;

Rusanov AK, Základy kvantitatívnej spektrálnej analýzy rúd a nerastov. M., 1971

Energiu vynaloženú svietiacim telesom na žiarenie je možné doplniť z rôznych zdrojov. Fosfor oxidovaný vo vzduchu žiari v dôsledku energie uvoľnenej počas chemickej transformácie. Tento druh svetla sa nazýva chemiluminiscencia.

Žiara, ktorá vzniká pri rôznych typoch nezávislého výboja plynu, sa nazýva elektroluminiscencia. Žiara pevných látok spôsobená ich bombardovaním elektrónmi sa nazýva katódovo-luminium a nescéna. Emisia žiarenia telesa s určitou vlnovou dĺžkou λ 1, ktorá je preň charakteristická, môže byť spôsobená ožiarením tohto telesa (alebo tým, že ste ho predtým ožiarili) žiarením s vlnovou dĺžkou λ 2, ktorá je menšia ako λ 1 . Takéto procesy sa spájajú pod názvom fotoluminiscencia.

Obklopme vyžarujúce teleso nepreniknuteľnou škrupinou s dokonale odrážajúcim povrchom (obr. 154). Odstráňte vzduch zo škrupiny. Žiarenie odrazené plášťom, dopadajúce na telo, bude ním (čiastočne alebo úplne) absorbované. V dôsledku toho bude medzi telom a žiarením vypĺňajúcim schránku nepretržitá výmena energie. Ak distribúcia energie medzi telom a žiarením zostane nezmenená pre každú vlnovú dĺžku, bude stav systému telesa a žiarenia v rovnováhe. Prax ukazuje, že jediný druh žiarenia, ktorý môže byť v rovnováhe so sálajúcimi telesami, je tepelné žiarenie. Všetky ostatné typy žiarenia sú nerovnovážne.

Schopnosť tepelného žiarenia byť v rovnováhe so sálajúcimi telesami je daná tým, že jeho intenzita sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Predpokladajme, že rovnováha medzi telom a žiarením (pozri obr. 1) je narušená a telo viac energie vyžaruje ako absorbuje. Potom sa vnútorná energia tela zníži, čo povedie k zníženiu teploty. To zase spôsobí zníženie množstva energie vyžarovanej telom. Teplota tela sa bude znižovať, kým sa množstvo energie vyžarovanej telom nerovná množstvu absorbovanej energie. Ak je rovnováha narušená v opačnom smere, t. j. množstvo vyžiarenej energie je menšie ako absorbované, teplota telesa sa bude zvyšovať, až kým sa rovnováha opäť neustanoví. Nerovnováha v tele-radiačnom systéme teda spôsobuje výskyt procesov, ktoré obnovujú rovnováhu.

Iná situácia je v prípade ktoréhokoľvek z typov luminiscencie. Ukážme si to na príklade chemiluminiscencie. Pokiaľ prebieha chemická reakcia spôsobujúca žiarenie, vyžarujúce teleso sa stále viac vzďaľuje od pôvodného stavu. Absorpcia žiarenia telom nezmení smer reakcie, ale naopak povedie k rýchlejšej (v dôsledku zahrievania) reakcii v pôvodnom smere. K nastoleniu rovnováhy dôjde až vtedy, keď sa vyčerpá celá zásoba reagujúcich látok a luminiscencia spôsobená chemickými procesmi sa nahradí tepelným žiarením.

Takže zo všetkých druhov žiarenia môže byť v rovnováhe iba tepelné žiarenie. Pre rovnovážne stavy a procesy platia zákony termodynamiky. V dôsledku toho sa tepelné žiarenie musí tiež riadiť niektorými všeobecnými zákonmi vyplývajúcimi z princípov termodynamiky. Obrátime sa na zváženie týchto zákonitostí.

Môžete tiež nájsť zaujímavé informácie vo vedeckom vyhľadávači Otvety.Online. Použite vyhľadávací formulár:

Portál pre študenta. Sebatréning

Tepelné žiarenie a luminiscencia.

SÚVISIACE ČLÁNKY