mozok.click » Фізика » Спектри теплового випромінювання та люмінесценції
Інформація про новину
  • Переглядів: 678
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 22:48
12-02-2018, 22:48

Спектри теплового випромінювання та люмінесценції

Категорія: Фізика

Теплове випромінювання та люмінесценція. Випромінювання тілами електромагнітних хвиль (світіння) може здійснюватись за рахунок різних видів енергії. Найпоширенішим видом випромінювання є теплове - випромінювання електромагнітних хвиль за рахунок внутрішньої енергії тіл. Чим вища температура тіла, тим швидше рухаються атоми. Під час зіткнень швидких атомів частина їх кінетичної енергії перетворюється в енергію збудження атомів, які потім випромінюють світло.

Всі інші види світіння, для яких збудження відбувається за рахунок інших видів енергії (крім теплової), об’єднують під загальною назвою люмінесценція.

Люмінесценція - випромінювання світла джерелом за рахунок надходження до нього енергії, яка приводить атоми джерела у збуджений стан в

результаті нетеплових процесів.

За тривалістю існування атомів у збудженому стані люмінесценцію поділяють на флуоресценцію (швидко затухаючу, час світіння порядку 10 8с) і фосфоресценцію (тривалу, час світіння більший за 10 4с).

За механізмом збудження атомів люмінесценцію поділяють так:

Катодолюмінісценція - світіння тіл, викликане бомбардуванням речовини зарядженими частинками. Наприклад, світіння екранів електронно-променевих трубок.



Електролюмінісценція - світіння речовини під час проходження через неї електричного струму або під впливом електричного поля. З прикладом електролюмінесценції ми ознайомились, вивчаючи газові розряди. Північне сяйво - явище електролюмінесценції. Потоки заряджених частинок від Сонця захоплюються магнітним полем Землі, збуджують атоми верхніх шарів атмосфери і спричинюють їх світіння. Електролюмінесценція властива також напівпровідникам, які застосовують у світлодіодах. Під час пропускання прямого струму через р-л-перехід світлодіода електрони і дірки інтенсивно рекомбінують, випускаючи кванти випромінювання. У цьому разі електрична енергія перетворюється в світлову, тобто відбувається процес.

зворотний до внутрішнього фотоефекту. Кремнієві світлодіоди є джерелами інфрачервоного випромінювання, а світлодіоди на карбіді кремнію (SiC), фосфіді галію (GaP) випромінюють видиме світло.

Хемілюмінесценція - світіння, яке виникає внаслідок екзотермічної хімічної реакції. Наприклад, світіння трухлого дерева, гнилі. Цей вид світіння властивий деяким живим організмам - комахам-світлячкам, деяким видам риб, що мешкають на значній глибині.

Фотолюмінесценція - світіння тіл під впливом опромінення їх видимим світлом, ультрафіолетовими, рентгенівськими, гамма-променями.

Як правило, світло, яке падає на речовину, частково відбивається, а частково поглинається нею. Енергія поглинутого світла переважно тільки нагріває тіло. Проте для деяких речовин цієї енергії достатньо для того, щоб речовина почала світитись. Наприклад, світна фарба, якою покривають дорожні знаки, світловідбивачі тощо.

Випромінене під час фотолюмінесценції світло, як правило, має більшу довжину хвиль, ніж випромінювання, яке збуджує світіння. Наприклад, якщо на флюоресцеїн (органічний барвник) спрямувати світловий пучок, пропущений крізь фіолетовий світлофільтр, ця рідина починає світитись зелено-жовтим світлом, тобто світлом більшої довжини хвилі ніж фіолетове.

Явище фотолюмінесценції застосовується в лампах денного світла. С.І.Вавилов запропонував покривати внутрішню поверхню розрядної трубки речовинами, здатними яскраво світитись під дією короткохвильового випромінювання газового розряду.

Види спектрів випромінювання. Ще у 1666 р. за допомогою скляної тригранної призми І. Ньютон вперше встановив, що біле світло розкладається у суцільний (неперервний) спектр. Спектр білого світла можна одержати ще й за допомогою дифракційної ґратки. Для точного дослідження спектрів використовують спеціальні прилади - спектральні апарати, які добре виокремлюють хвилі різної довжини і не допускають (або майже не допускають) їх перекривання. Найчастіше основною частиною спектрального апарата є призма або дифракційна ґратка.

Спектральний склад випромінювання різних речовин досить різноманітний. Проте всі спектри можна поділити на три групи: лінійчаті, смугасті та неперервні.

Про лінійчаті спектри ми вже дещо говорили у § 70.

Лінійчатий спектр це оптичне випромінювання поодиноких збуджених атомів, яке виникає завдяки квантовим переходам між електронними рівнями енергії (атомні спектри).


 

Лінійчаті спектри випромінюють усі речовини в газоподібному атомарному (але не молекулярному) стані, причому кожен хімічний елемент дає свій лінійчатий спектр, який не збігається зі спектрами інших елементів (мал. 274, §70).

Розкладаючи теплове випромінювання у спектр за допомогою дифракційної ґратки і вимірюючи інтенсивність різних ділянок спектра, отримують розподіл енергії випромінювання за довжинами хвиль. На мал. 285 зображено приблизний розподіл інтенсивності випромінювання за довжиною

хвилі у лінійчатому спектрі. Як видно з малюнка, кожна лінія має скінченну ширину.

Основна властивість лінійчатих спектрів полягає в тому, що довжини хвиль (або частоти) лінійчатого спектра якої-небудь речовини залежать лише від властивостей атомів цієї речовини, і зовсім не залежать від способу збудження світіння атомів.

Виняткову сталість частот випромінювання атомів було використано для визначення еталона основної одиниці часу - секунди. Для цього було взято одну з частот випромінювання атомів Цезію-133, і секунду означили як інтервал часу, протягом якого здійснюється певне число коливань (9 192 631 770), що відповідає цій частоті.

Смугастий спектр має вигляд кольорових смуг, розділених темними проміжками (молекулярні спектри).

Утворення молекули з атомів змінює енергетичні рівні зовнішніх електронів, оскільки у молекулі вони взаємодіють один з одним. До того ж, виникають додаткові рівні, що відповідають коливанням атомів і обертанню молекули як цілого. Енергетичні рівні коливального та обертального рухів також квантовані. Таким чином, кожний атомний рівень розчеплюється на ряд близьких рівнів. У результаті переходів між цими рівнями і виникає сукупність ліній, що утворює смугу.

У неперервному спектрі немає темних проміжків, і на екрані спектрального апарата можна побачити суцільну різнокольорову смугу. Це означає, що в спектрі наявні всі довжини хвиль.

Неперервний спектр випромінюють розжарені тверді тіла й розігріті рідини, які перебувають за даної температури у стані термодинамічної рівноваги з випромінюванням. Гази під високим тиском теж можуть випромінювати неперервний спектр. Ця обставина свідчить про те, що існування неперервного спектра зумовлене не тільки властивостями окремих випромінюючих атомів, а й значно залежить від взаємодії атомів між собою.

На початку цього розділу ми уже з’ясували деякі особливості вигляду кривих розподілу енергії за довжиною хвилі для абсолютно чорного тіла (мал. 264 § 64), а саме: довжина хвилі, на яку припадає найбільша енергія випромінювання, тим менша, чим вища температура тіла. Проводячи детальне дослідження у 1893 р. В.Він виявив деяку закономірність, яку називають законом Віна: добуток довжини хвилі, яка відповідає максимуму випромінювання в спектрі абсолютно чорного тіла, на його абсолютну температуру є величина стала, XmaxT = b . Тут b - стала Віна, яка дорівнює 6 = 0,002892 м -К.

Спектральний розподіл енергії теплового випромінювання якого-небудь реального тіла може помітно відрізнятись від спектра випромінювання абсолютно чорного тіла, проте має такий самий характер. Установивши, на яку довжину хвилі припадає найбільша енергія в спектрі випромінювання

тіла, можна визначити його температуру. Цим способом можна визначити температуру розплавленого металу, Сонця, зір тощо. Такий спосіб визначення температури джерела випромінювання називають оптичною пірометрією.

Спектри поглинання. Усі речовини, атоми яких перебувають у збудженому стані, випромінюють світлові хвилі певної довжини. Поглинання світла речовинами також залежить від його довжини хвилі. Значний інтерес становить вивчення спектрів поглинання одноатомних газів, які мають лінійчаті спектри випромінювання. Вперше такі дослідження провів у 1854 р. Г. Кірхгоф, який встановив, що будь-яка речовина поглинає переважно промені тих довжин хвиль, які сама може випромінювати. Пояснення спектрів поглинання випливає із постулатів Бора.


Спектральний аналіз та його застосування. Спектральний аналіз широко використовують у науці і техніці. Це один з найшвидших і найпростіших способів визначення складу різних хімічних сполук, оскільки кожний хімічний елемент має свій характерний лінійчатий спектр випромінювання (поглинання). За спектрами поглинання Сонця і зір досліджено їх хімічний склад. Випромінювання поверхні Сонця (фотосфери) дає неперервний спектр. Це випромінювання має температуру близько 6 000 °С і, проходячи крізь атмосферу Сонця, температура якої (2000-3000 °С), частково поглинається. Атмосфера Сонця поглинає світло певних частот фотосфери, і на фоні неперервного спектра фотосфери з’являється майже 20 000 ліній поглинання. За цими лініями було встановлено, що на Сонці є водень, кальцій, натрій, залізо та інші хімічні елементи. Вперше дослідження ліній поглинання у спектрі сонячного випромінювання провів у 1817 р. І. Фраунгофер, тому ці лінії називають фраунгоферовими.

Під час проведення спектрального аналізу користуються спеціальними таблицями або атласами спектральних ліній, в яких наведено точне розміщення ліній у спектрі кожного хімічного елемента, тобто довжини хвиль, що їм відповідають. За допомогою спектрального аналізу були відкриті нові хімічні елементи - Рубідій і Цезій. Цікава історія відкриття Гелію. Спочатку він був виявлений під час аналізу спектра сонячного випромінювання у 1868 р., звідки й походить його назва (від грец. «геліос» - Сонце).

Основні переваги спектрального аналізу - дуже висока чутливість, простота і швидкість проведення - зумовлюють його широке використання в металургії і машинобудуванні, хімії і геології, медицині і біології та багатьох інших галузях науки і техніки.

Дайте відповіді на запитання

1. Які речовини дають суцільний спектр? Які - лінійчатий?

2. Чим відрізняються лінійчаті спектри різних газів і пари?

3. З’ясуйте, який спектр і чому виникає в газі внаслідок рекомбінації позитивних йонів з вільними електронами.

4. Чому спектр випромінювання йонізованого газу має чітко виражену довгохвильову межу?






^