§ 32. Выпраменьванне і паглынанне святла атамам. Спектры выпускання і паглынання
 |
Мадэль атама Бора дазваляе апісаць працэсы выпраменьвання і паглынання святла атамам. Як гэта адбываецца? Як фатон «з’яўляецца на свет»? Што змяняецца ў атаме пасля паглынання фатона? |
З прычыны таго што энергія атама квантаваная, яна характарызуецца пэўным наборам энергетычных узроўняў En. Выпусканне выпраменьвання адбываецца пры самаадвольным пераходзе атама з вышэйшых энергетычных узроўняў Ek на адзін з ніжэйшых энергетычных узроўняў En (Ek > En) Атам выпраменьвае фатон (квант электрамагнітнай энергіі) з энергіяй 
.
Частата выпраменьвання пры гэтым:
 . |
(1) |
Падкрэслім, што разам з прамым пераходам атам можа пераходзіць з узбуджанага стану ў асноўны паэтапна, праз прамежкавыя станы. Пры гэтым выпраменьваюцца адпаведныя прамежкавым пераходам кванты святла. Набор такіх частот утварае лінейчасты спектр выпраменьвання атама.
Паглынанне святла — працэс, адваротны выпусканню. Атам, паглынаючы фатон
hνkn = En - Ek пераходзіць з ніжэйшага k стану ў больш высокі n (Ek < En) стан. Частата паглынутага фатона:
| (2) |
Падобныя пераходы даюць лінейчасты спектр паглынання атама.
Падкрэслім, што частоты пераходаў з выпусканнем і паглынаннем, якія адбываюцца паміж аднымі і тымі ж энергетычнымі ўзроўнямі, супадаюць.
Такім чынам, спектры атамаў дазваляюць вызначаць змяненні энергіі атама пры выпусканні ці паглынанні выпраменьвання.
Спектры, атрыманыя ад цел, што самі свецяцца, называюцца спектрамі выпускання. Яны бываюць трох тыпаў: лінейчастыя, паласатыя і суцэльныя.
Лінейчастыя спектры маюць усе рэчывы ў газападобным атамарным стане. Звычайна (напрыклад, пры звычайных умовах) атамы газу знаходзяцца ў асноўным стане і не выпраменьваюць святло. Калі такі газ награваецца, некаторыя атамы пераходзяць на больш высокія энергетычныя ўзроўні. Менавіта гэтыя атамы пры пераходзе ў ніжэйшыя энергетычныя станы і выпускаюць фатоны. У выніку атамарныя спектры складаюцца з асобных вузкіх ліній рознага колеру, падзеленых цёмнымі прамежкамі (мал. 199).
Вывучэнне лінейчастых спектраў паказала, што кожны хімічны элемент мае свой строга індывідуальны спектр. Такія спектры адрозніваюцца адзін ад аднаго колерам асобных ліній, што свецяцца, іх становішчам і колькасцю.
Паласатыя спектры маюць газы, якія складаюцца з малекул. Для тлумачэння малекулярных спектраў неабходна прымаць да ўвагі вялікую складанасць структуры малекул. У малекулах, акрамя руху электронаў, адбываюцца вагальны рух ядзер каля становішча раўнавагі і вярчальны рух малекулы як цэлага. Згодна з квантавай механікай энергія ўсіх відаў руху можа прымаць толькі пэўныя дыскрэтныя значэнні (квантуецца). Поўная энергія малекулы вызначаецца трыма відамі яе ўнутраных рухаў. Электроннаму, вагальнаму і вярчальнаму рухам малекулы адпавядаюць тры тыпы ўзроўняў энергіі: электронныя, вагальныя і вярчальныя. Пры злучэнні атамаў у малекулы кожны атамны ўзровень ператвараецца ў шэраг блізкіх узроўняў, якія адпавядаюць вагальным і вярчальным рухам. Паколькі адлегласць паміж гэтымі ўзроўнямі вельмі малая, асабліва ў выпадку вярчальных узроўняў (характэрная адлегласць паміж ўзроўнямі складае эВ), то ў выніку пераходаў паміж гэтымі ўзроўнямі ўзнікае мноства вельмі блізкіх спектральных ліній
У такіх спектрах, у адрозненне ад атамных спектраў, сукупнасці цесна размешчаных спектральных ліній утвараюць палосы, падзеленыя цёмнымі прамежкамі (мал. 200). Спектры малекул можна выкарыстоўваць для ідэнтыфікацыі малекул і іх структуры.
Неперарыўныя (суцэльныя) спектры маюць нагрэтыя целы, якія знаходзяцца ў цвёрдым і вадкім стане, а таксама газы пры высокім ціску і плазма. З прычыны інтэнсіўнага ўзаемадзеяння паміж малекуламі індывідуальныя рысы, уласцівыя асобным часціцам, у такіх спектрах нераспазнавальныя. У іх прадстаўлены ўсе даўжыні хваль, няма цёмных прамежкаў і на экране бачна суцэльная рознакаляровая паласа (мал. 201).
Празрыстыя рэчывы паглынаюць частку падаючага на іх выпраменьвання, і ў спектры, атрыманым пасля праходжання белага святла праз такія рэчывы, з’яўляюцца цёмныя лініі, ці палосы паглынання. Такі спектр называецца спектрам паглынання (мал. 202).
 |
 |
Так, рэчыва ў газападобным стане паглынае найбольш моцна святло тых даўжынь хваль, якія яно выпускае ў нагрэтым стане.
Гэта азначае, што цёмныя лініі ў спектры паглынання будуць знаходзіцца як раз у тых месцах, дзе знаходзяцца лініі, якія свецяцца, у спектры выпускання дадзенага хімічнага элемента. Гэтыя строга вызначаныя заканамернасці ў лінейчастых спектрах даюць магчымасць выявіць тыя ці іншыя элементы ў дадзеным рэчыве.
Для вызначэння якаснага і колькаснага саставу рэчыва выкарыстоўваецца метад, заснаваны на атрыманні і даследаванні яго спектраў. Гэты метад называецца спектральным аналізам. Гэта самы хуткі і просты спосаб вызначэння саставу розных хімічных злучэнняў.
Спектр паглынання атама вадароду пры нармальных умовах змяшчае толькі адну серыю ліній, частоты якіх знаходзяцца ў ультрафіялетавым абсягу.
Найбольш вывучаным спектрам паглынання з’яўляецца спектр Сонца. Яго суцэльны спектр змяшчае вялікую колькасць чорных ліній. Гэтыя лініі з’яўляюцца лініямі паглынання, якія ўзнікаюць пры праходжанні святла праз газавую абалонку Сонца і атмасферу Зямлі. Яны атрымалі назву фраўнгоферавых ліній, паколькі Фраўнгофер упершыню назіраў спектр Сонца і выявіў, што заканамернасць размяшчэння ліній невыпадковая і лініі паглынання (цёмныя лініі) з’яўляюцца заўсёды толькі на пэўных месцах.
Заснавальнікі спектральнага аналізу нямецкія фізікі Роберт Бунзен і Густаў Кірхгоф, даследуючы спектры пароў злучэнняў шчолачных металаў літыю, натрыю і калію, выявілі новыя элементы — рубідый і цэзій, названыя так па колеры найбольш яркіх ліній у іх спектрах. У рубідыю — чырвоная лінія, у цэзію — сіняя.
Спектральны аналіз грунтуецца на двух асноўных палажэннях:
1) кожны хімічны элемент ці хімічнае злучэнне характарызуецца пэўным спектрам;
2) інтэнсіўнасць ліній і палос у спектры залежыць ад канцэнтрацыі таго ці іншага элемента ў рэчыве.
Да добрых якасцей спектральнага аналізу даследавання можна аднесці:
- высокую адчувальнасць (выяўляе элементы з адноснай канцэнтрацыяй , г. зн. адзін атам рэчыва на сто мільёнаў іншых атамаў);
- малы час вымярэння;
- малыя колькасці даследуемага рэчыва (дастаткова г і нават да
г) аж да магчымасці дэтэктавання асобных малекул;
- дыстанцыйнасць вымярэнняў (можна праводзіць даследаванні, напрыклад, саставу атмасферы далёкіх планет).
Па спектрах вызначаюць, з якіх хімічных элементаў складаецца рэчыва і ў якіх колькасцях.
Беларускі фізік акадэмік Міхаіл Аляксандравіч Ельяшэвіч распрацаваў асновы тэорыі ваганняў шмататамных малекул і іх вагальных спектраў. Ён зрабіў значны ўклад у тэорыю спектраў рэдказямельных элементаў і нізкатэмпературнай плазмы.