80. Понятие об энергетических уровнях молекул. Спектры молекул. Люминисценция

Спектры молекул существенным образом отличаются от

спектров атома. В спектрах атомов сравнительно

небольшое число полос, расположенных в спектральной

линии, объединяются в серии, причем расстояние между

спектральными линиями убывают в конце. В спектрах молекул большое число спектральных линий объединяются в группы, причем в каждой группе спектральная линия с одного концарасположена настолько тесно, что вся группа приобретает вид полосы. Спектры молекул носят полосатый характер. Полосы объединяются в группы, в спектре молекул – несколько групп. В спектре молекул 3 законометрности: - линии объединяются в полосы, - полосы объединяются в группы, - в спектре может быть несколько групп. Эти 3 закономерности обусловлены 3 типами энергий, на которые можно разложить полную энергию молекулы. 1) вращательная энергия (энергия, обусловлена вращанием молекул как целого), 2) колебательная энергия (обусловлена колебанием ядер около положения равновесия), 3) энергия взаимодействия электронных оболочек с ядрами атомов Еэл; E=Eвр+Eкол+Eэл; Eэл>Eкол>Eвр, ν=∆E/h=∆Eвр/h +

+ ∆Eкол/h + ∆Eэл/h; ν=νвр + νкол + νэл. Эксперимент показывает, что все виды энергий квантованы.

В природе давно известно излучение, отличное по своему характеру от всех известных видов излучения (теплового излучения, отражения, рассеяния света и т. д.). Этим излучением является люминесцентное излучение, примерами которого может служить свечение тел при облучении их видимым, ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, -излучением и т. д. Вещества, способные под действием различного рода возбуждений светиться, получили название люминофоров. Люминесценция—неравновесное излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела и имеющее длительность, большую периода световых колебаний. Первая часть этого определения приводит к выводу, что люминесценция не является тепловым излучением, поскольку любое тело при температуре выше 0 К излучает электромагнитные волны, а такое излучение является тепловым. Вторая часть показывает, что люминесценция не является таким видом свечения, как отражение и рассеяние света, тормозное получение заряженных частиц и т. д. Период световых колебаний составляет примерно 10^-15с, поэтому длительность, по которой свечение можно отнести к люминесценции, больше—примерно 10^-10с. Признак длительности свечения дает возможность отличить люминесценцию от других неравновесных процессов. В зависимости от способа возбуждения различают: фотолюминесценцию (под действием света), рентгенолюминесценцию (под действием рентгеновского излучения), катодолюминесценцию (под действием электронов), электролюминесценцию (под действием электрического поля), радиолюминесценцию (при возбуждении ядерным излучением), хемилюминесценцию (при химических превращениях), триболюминесценцию (при тастирании и складывании некоторых кристаллов).

81)Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения. Инверсия заселенно­сти уровней. Типы лазеров и принцип их работы.

атомы могут на­ходиться лишь в квантовых состояниях с дискретными значениями энергии Е\, Е₂, £з, •• ■ Ради простоты рассмотрим только два из этих состояний (/ и 2) с энергиями Е] и ЈV Если атом находится в основном состоянии /, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынуж­денный переход в возбужденное состояние 2 (рис. 309, а), приводящий к поглощению излучения. Вероятность подобных перехо­дов пропорциональна плотности излуче­ния, вызывающего эти переходы.

Атом, находясь в возбужденном со­стоянии 2, может через некоторый про­межуток времени спонтанно, без каких-либо внешних воздействий, перейти в со­стояние с низшей энергией (в нашем случае в основное), отдавая избыточную

энергию в виде электромагнитного излуче­ния (испуская фотон с энергией hv — Ei — — Ei). Процесс испускания фотона воз­бужденным атомом (возбужденной мик­росистемой) без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением (рис. 309, б). Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше сред­нее время жизни атома в возбужденном состоянии. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излу­чение некогерентно.

В 1916 г. А. Эйнштейн для объяснения наблюдавшегося на опыте термодинамиче ского равновесия между веществом и ис­пускаемым и поглощаемым им излучением постулировал, что помимо поглощения и спонтанного излучения должен су­ществовать третий, качественно иной тип взаимодействия. Если на атом, находя­щийся в возбужденном состоянии 2, дей­ствует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию Av = Ј2 — E\, то возникает вынужденный (индуцирован­ный) переход в основное состояние / с из­лучением фотона той же энергии /rv = = Ei — Ei (рис. 309, в). При подобном пе­реходе происходит излучение атомом фотона дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Возникающее в результате таких перехо­дов излучение называется вынужденным (индуцированным) излучением. Таким об­разом, в процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный фотон, вызывающий испускание излучения воз бужденным атомом, и вторичный фотон, испущенный атомом. Существенно, что вторичные фотоны неотличимы от первич­ных, являясь точной их копией.

принцип детального равновесия, согласно которому при термодинамическом равно­весии каждому процессу можно сопоста­вить обратный процесс, причем скорость их протекания одинакова. А. Эйнштейн применил этот принцип и закон сохране­ния энергии для излучения и поглощения электромагнитных волн в случае черного тела. Из условия, что при равновесии пол­ная вероятность испускания (спонтанного и вынужденного) фотонов равна вероятно­сти поглощения фотонов той же частоты, Эйнштейн получил выведенную ранее Планком формулу (200.3).

82)Естественная радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Период полураспада.Явление радиоактивности

Радиоактивность атомных ядер. Как уже отмечалось, историю ядерной физики принято отсчитывать с 1896 г., когда французский физик А. Беккерель обнаружил, что

содержащий уран минерал обладает способностью засве­чивать фотопластинку, завернутую в светонепроницаемую бумагу. Вскоре французские ученые, будущие лауреаты Нобелевской премии Пьер Кюри (1859—1906) и Мария Складовская-Кюри (1867—1934) обнаружили, что урано­вая смоляная руда обладает способностью давать излу­чение, в четыре раза превосходящее по интенсивности излучение урана, а в 1898 г. они выделили два новых хими­ческих радиоактивных элемента— полоний (²8°Ро) и ра­дий (иНа). В дальнейшем было установлено, что причи­ной, приводящей к засвечиванию фотопластинки, является самопроизвольный распад атомных ядер урана. В резуль­тате такого распада возникает особое излучение, назван­ное радиоактивным, а само явление испускания радио­активного излучения — радиоактивностью. В настоящее время под радиоактивностью понимают способность ядер самопроизвольно превращаться в дру­гие атомные ядра с испусканием радиоактивного излуче­ния. Радиоактивность подразделяется на естественную, источником которой являются изотопы, встречающиеся в природе, и искусственную, которая наблюдается у атомных ядер, являющихся продуктами ядерных реакций и не встречающихся в природе. Явление искусственной радио­активности было открыто французскими физиками Ирен Жолио-Кюри (1897—1956) — дочерью Пьера и Марии Кюри — и ее мужем Фредериком Жолио-Кюри (1900— 1958) и отмечено Нобелевской премией в 1935 г. Принци­пиального различия между обоими видами радиоактив­ности нет, так как они подчиняются одинаковым законам. Изучение состава радиоактивного излучения позволи­ло установить, что по проникающей способности его можно разделить на три различных компонента (рис. 13.10), кото­рые впоследствии были названы по первым буквам гре­ческого алфавита: альфа (а)-, бета (Р)- и гамма ьиз­лучениями. Исследования показали, что а-излучение пред­ставляет собой поток положительно заряженных ядер гелия Не⁺⁺, р-излучение — поток электронов или пози­тронов, а-излучение — поток коротковолнового электро­магнитного излучения. Альфа-распад. Типичным примером радиоактивно­го распада ядер является реакция

(13.17)

При а-распаде ядро урана-238 превращается в ядро с зарядовым числом Z = 90 и массовым числом А = 234,

ямы на глубине. Ее точная форма неизвестна, так как внутри ядра в мощном поле ядерных сил а-частица, по-видимому, теряет свою индивидуальность. Так как пол­ная энергия а-частицы равна Е_а, то именно с этой энергией будет двигаться а-частица на большом расстоянии от ядра, где электростатический потенциал спадает до нуля (см. рис. 13.11, а). Волновая функция а-частицы внутри ядра представляет стоячую волну с амплитудой В\. Вслед­ствие туннельного эффекта эта волновая функция имеет за пределами электростатического барьера U = U(r) не­большой «хвост» с амплитудой В₂. Следо­вательно, вероятность р обнаружить а-частицу за преде­лами барьера имеет вид

а вероятность испускания а-частицы в единицу времени, которая называется постоянной распада, будет равна

— постоянная распада, (13.23)

где п — число столкновений а-частицы с барьером в еди­ницу времени. Величина, обратная постоянной распада, определяет среднее время жизни материнского ядра по отношению к а-распаду:

— среднее время жизни ядра. (13.24)

Если в образце в момент времени t содержится N ядер, то число распадов в секунду (т. е. скорость уменьшения числа ядер) равно N/т.. Поэтому (13.25) Разделим переменные и выполним интегрирование:

Потенцируя обе части последнего равенства, получаем

(13.26)

Постоянную интегрирования находим из условия, что в начальный момент времени ^ = 0 число ядер равно N₀. В результате получим закон уменьшения числа ядер радио­активного вещества: (13.27)

-закон радиоактивного распада.

Экспериментальные исследования подтверждают спра­ведливость полученного закона для всех трех видов рас­пада. На рис. 13.12 представлена кривая радиоактивного распада, определяемая формулой (13.27). Время, в тече­ние которого распадается половина начального числа атомных ядер, называется периодом полураспада (T\/z). Подставляя в формулу (13.27) значение N = N₀/2 и t = = Ti/2, получаем уравнение связи между периодом полу­распада и средним временем жизни ядер:

(13.28)