1.2 Оптические характеристики вещества

Количество энергии Е частоты , спонтанно излучаемой в единицу времени в единице объема вещества, в единичном интервале частот и в единичном интервале телесного угла, называется объемным спектральным коэффициентом излучения _:

_ = , при V, t, ,   0.

Обычно в заданной точке пространства среда излучает свет во всех направлениях одинаково (изотропно), так как излучающие частицы (атомы, молекулы и др.) ориентированы и движутся в пространстве хаотичным образом. Поэтому количество энергии, излучаемой в телесный угол d в каком-либо направлении, равно просто _ d.

Если через вещество проходит пучок света, он ослабляется на своем пути. Ослабление происходит как вследствие поглощения квантов, так и вследствие их рассеяния, то есть отклонения от первоначального направления. Рассеяние излучения играет огромную роль в переносе излучения в больших пространствах: звездных и планетных атмосферах.

В лабораторных условиях роль рассеяния излучения мала по сравнению с поглощением, и поэтому рассеяние как правило не учитывается. Если особо не оговорено, то обычно не учитывается и вынужденное (индуцированное) излучение.

Поэтому при прохождении излучения через вещество учитывается только истиное поглощение, когда поглощенный фотон исчезает. Ослабление интенсивности параллельного пучка излучения частоты v на расстоянии dx в поглощающей среде пропорционально величине этого расстояния (рис. 3):

dI_ = - _I_dx, (10)

где _ - спектральный коэффициент поглощения. О братная величина от _ есть средняя длина свободного пробега фотона до его поглощения l_ = 1 / _{ .}

Решая уравнение (10), получаем, что интенсивность пучка уменьшается после прохождения расстояния x от точки x = 0 (где I_ = I_0) до точки x по экспоненциальному закону:

. (11)

Ослабление пучка света за счет поглощения характеризуется произведением _ на длину пути. Безразмерная величина в (11):

(12)

называется оптической толщиной слоя x на частоте . Пучок света ослабляется в е раз на оптической толщине, равной единице.

1.3 Поглощение и излучение спектральных линий

К ак известно излучение и поглощение кванта излучения (фотона) атомом происходит за счет его перехода из одного энергетического квантового состояния в другое (рис. 4). При этом энергия излученного или поглощенного кванта света (а также частота, которая пропорциональна ей: hv) равна разности энергии начального и конечного состояний перехода. Так, например, частота излучения света, обусловленная переходом атома с энергетического уровня E_k на уровень E_i , будет равна:

v = (E_k − E_i) / h, (14)

где h – постоянная Планка.

На схеме уровней рис. 4 стрелками вверх показано поглощение света. Стрелки вниз означают испускание кванта света с соответствующим уменьшением энергии атома. Частоты излучения и поглощения могут быть легко рассчитаны по формуле (14).

В современной квантовой механике строго доказано, что атомы каждого химического элемента имеют присущий только им набор возможных стационарных энергетических состояний. Переходы между этими состояниями и образуют спектр частот излучения (или поглощения), характерный только для данного элемента (рис. 5). Именно поэтому оказывается возможным отождествление химического элемента по его спектру испускания или поглощения, т.е. качественный спектральный анализ.

Интенсивности линий поглощения и испускания определяются соответ­ственно заселенностью нижнего или верхнего уровня и вероятностями перехода (коэффициентами Эйнштейна).