Т.6. Спектр атома та молекули

§1. Енергетичні рівні молекул

Для стійкої рівноваги енергію молекули можна представити у вигляді:

Нехтуючи видами енергії, які суттєво не впливають на утворення спектру молекули, отримаємо:

Оцінки показують, що “відстань” за шкалою енергій між найближчими рівнями в молекулі описується такою закономірністю:

§2. Спектр X- променів

Х-випромінювання є електромагнітним іонізуючим випромінюванням з довжиною хвилі:

Х-випромінювання є жорстким, коли <0,2 нм, та м’яким, коли > 0,2 нм.

Джерелом Х-променів є рентгенівська трубка (рис. 6.1).

Рис. 6.1.

Природнім джерелом Х-випромінювання є Сонце або також деякі космічні об’єкти.

ІІ.І. Білі Х-промені.

Біле Х-випромінювання має суцільний рентгенівський спектр, який утворюється при випромінюванні швидкими електрони за рахунок гальмування в матеріалі шару анода (так зване «гальмівне випромінювання») (рис. 6.2, 6.3).

Рис. 6.2.

Рис. 6.3.

Короткохвильова межа неперервного рентгенівського спектра визначається законом збереження енергії. Робота, яку виконує електричне поле, прискорюючи електрони в рентгенівській трубці,

Коли електрони сповільнюються, ця робота повністю перетворюється на енергію рентгенівського фотона:

Тоді

Ця взаємодія відбувається лише тоді, коли електрони зіштовхуються лоб в лоб з ядрами атомів анода. Оскільки зіткнення відбуваються під різними кутами між електроном і ядром мішені, то спектр рентгенівського випромінювання є суцільним.

II.II. Характеристичне рентгенівське випромінювання.

Окремі лінії випромінювання виникають при зіткненні атома анода зі швидким електроном. При цьому електрон вилітає з однієї з внутрішніх оболонок атома і він іонізується. Іонізований атом знаходиться на високому збудженому енергетичному рівні і через 10^-16-10^-15 секунд переходить в основний стан. При такому переході атом може випромінювати додаткову енергію у вигляді фотонів певної частоти. Спектр такого випромінювання є притаманним для атомів деяких хімічних елементів, тому лінійчатий спектр рентгенівського випромінювання називають характеристичним.

Закон Мозлі. Квадратний корінь з частоти спектральних ліній характеристичного випромінювання хімічного елемента лінійно залежить від його порядкового номера Z:

II.III. Застосування рентгенівських променів.

Рентгенівські промені найчастіше використовуються в медицині для рентгенівської діагностики та променевої терапії. Приклади включають виявлення внутрішніх порожнеч у виливках (раковин, шлакових включень), тріщин у рейках і дефектів зварювання. Рентгеноструктурний аналіз дозволяє визначити просторове розташування атомів у кристалічній решітці мінералів, сполук, неорганічних і органічних молекул. Рентгенівська мікроскопія дозволяє отримати зображення клітин і мікроорганізмів, наприклад, та візуалізувати їхню внутрішню структуру. Рентгенівський спектральний аналіз на основі одержаних положень та інтенсивностей характерних спектральних ліній дозволяє визначити якісний та кількісний склад речовини.

§3. Оптичний квантовий генератор (ЛАЗЕР)

Слово "лазер" складене з початкових букв у англійському словосполученні Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що українською означає: посилення світла за допомогою змушеного випромінювання.

ІІІ.І. Принцип дії оптичного квантового генератора (лазера)

Існує три фундаментальні процеси взаємодії фотонів електромагнітного випромінювання з речовиною:

а) спонтанне випромінювання;

б) змушене випромінювання;

в) поглинання (рис. 6. 4).

Рис. 6. 4

Як довів Ейнштейн, у стані термодинамічної рівноваги ймовірність поглинання і змушеного випромінювання однакові.

Однак середовище може перебувати в нерівноважному стані, у якому реалізується інверсна заселеність рівнів, тобто кількість електронів на вищих енергетичних рівнях більша ніж на нижчих.

У цьому випадку середовище почне підсилювати випромінювання, тобто буде активним середовищем. Переведення середовища в нерівноважний стан здійснюється зовнішнім джерелом енергії (накачуванням).

Основною умовою реалізації трирівневої схеми лазера (рис. 6.5) є співвідношення між часами життя збуджених рівнів:

Рис. 6.5.

Прикладом трирівневої схеми є рубіновий лазер. Рубіни - це тверді кристали на основі корунду, тобто кристали оксиду алюмінію (Al₂O₃), в яких невелика частка (приблизно 0,05%) атомів алюмінію заміщена іонами хрому Cr⁺⁺⁺. Інверсне заселення створюється оптичною накачкою, тобто під впливом інтенсивних спалахів світла на кристали рубіна. Рубіни формують у циліндричні стрижні, кінці яких ретельно полірують і покривають сріблом, щоб вони слугували дзеркалами для лазера. Для освітлення рубінових стрижнів використовуються імпульсні ксенонові газорозрядні лампи. Під впливом потужних світлових імпульсів в таких стрижнях виникає інверсна заселеність енергетичних рівнів, а наявність дзеркал стимулює лазерну генерацію.

ІІІ.ІІ. Властивості лазерного випромінювання

1. Висока ступінь монохроматичності випромінювання.

2. Когерентність випромінювання.

3. Вузька направленість лазерного пучка. В лазері вдається одержати розбіжність променя на рівні кутових секунд.

4. Висока густина потужності випромінювання.

§4. Комбінаційне розсіювання (ефект Рамана)

Ефект відкритий у 1927 році. Автори - індійські вчені Раман і Крішнан. При проходженні світла через прозорі речовини в спектрі розсіювання крім основної лінії з частотою спостерігаються лінії (рис. 6. 6).

Рис. 6. 6

Фізична суть ефекту.

Процес розсіювання світла розглядають як процес поглинання фотонів падаючого світла молекулами середовища, з подальшим випромінюванням нових фотонів.

Якщо новий фотон випромінює молекула, яка до взаємодії з падаючим була збуджена, тоді новий фотон має більшу частоту (фіолетовий супутник).

Якщо до взаємодії молекула була не збуджена, новий фотон має меншу частоту (червоний супутник), а молекула залишається збуджена до певного значення:

Необхідно зауважити, що при кімнатній температурі збуджених молекул завжди на кілька порядків менше як не збуджених, тому в таких умовах спектральні лінії з частотами є менш інтенсивні за лінії з частотами

§5. Ефект Зеемана (розщеплення спектральних ліній)

Розщеплення спектральної лінії на кілька компонент, при внесенні джерела світла у постійне магнітне поле носить назву ефекту Зеемана (рис. 6.7).

Рис. 6.7.

V. І. Спостереження ефекту

Спектральні лінії випромі нювання, що поширюється перпендикулярно до напряму зовнішнього магнітного поля розщеплюються на три:

V. ІІ. Пояснення ефекту

У зовнішньому магнітному полі випромінюючий електрон у атомі набуває додаткової енергії:

Енергія електрона на рівні 1 без магнітного поля рівна .

Енергія електрона на рівні 1 у магнітному полі рівна:

На рівні 2 у магнітному полі енергія електрона визначається:

Частота випромінювання при переході електрона з рівня 2 на 1:

За правилами відбору, при переході між дозволеними рівнями, найменше значення зміни , при цьому зміна магнітного квантового числа набуває значень:

Отже, одержуємо три частоти випромінювання:

Зауваження. При спостереженні випромінювання вздовж напрямку магнітного поля, лінія з основною частотою зникає, а хвилі з частотами будуть циклічно поляризовані з протилежними напрямами обертання вектора .

§6. Електронний парамагнітний резонанс

1. При внесенні парамагнетика в зовнішнє магнітне поле спостерігатимуться такі ефекти:

а) магнітні моменти атомів орієнтуються вздовж напряму магнітного поля;

б) відбувається зееманівське розщеплення енергетичних рівнів електронів у атомі (утворення з одного рівня – кількох).

2. При дії на таку речовину змінного магнітного поля електромагнітної хвилі з частотою, що збігається з частотою переходу між підрівнями спостерігається резонансне поглинання енергії електромагнітних хвиль з переходом електронів речовини на вищі підрівні з трьох раніше згаданих.