книги из ГПНТБ / Леушин, А. И. Дуга горения. Свойства мощных дуг современных сталеплавильных печей

Формула Мозеля указывает, что корень квадратный из численного значения термов зависит линейно от атом­ ного номера.

Из формулы evi— — (Z—а)2 следует, что

(VI-16)

Физико-химические свойства элементов зависят от рас­ положения внешних электронов и обусловливают перио­ дичность в зависимости от номера Z, благодаря наслаи­ ванию электронных оболочек.

Получение линий, по Бору, объясняется сильным внеш­ ним воздействием. Из атома выбивается один из элект­ ронов внутренней оболочки. Тогда на место этого электро­ на с одной из внешних оболочек переходит другой элект­ рон. При этом теряется энергия W2—Wi в виде излучения, частота которого

Термы, соответствующие числу /г=1, называют /С-терма- ми, при п = 2 L-термами, при п = 3 М-термами и т. д. Се­ рия линий, возникающая при переходе на /(-уровень с более высоких уровней, носит название /(-серии, а при переходе на L-уровень — L-серии и т. д.

ВЛИЯНИЕ НА АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ ВНЕШНИХ МАГНИТНОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЕЙ

Зееман открыл расщепление спектральных линий в маг­ нитном поле. Спектральная линия, возникающая при движении электрона между двумя стационарными орби­ тами, расщепляется под воздействием внешнего магнит­ ного поля Н на три поляризованные компоненты. Сред­ няя компонента совпадает по частоте с первоначальной линией, а две других симметрично сдвинуты относитель­ но нее иа величину (в длинах воли):

(VI-17)

81

Такое расщепление линий на три компоненты получило название нормального эффекта Зеемана. Оно объясняет­ ся тем, что электрон, находящийся в атоме, создает ор­ битальный магнитный момент, наличие которого во внеш­ нем магнитном поле ведет к появлению добавочной энер­ гии

Н— напряженность магнитного поля.

Наиболее сильно эффект Зеемана проявляет себя в силь­ ных магнитных полях.

Если через W(H) обозначим смещение уровня под влия­ нием внешнего магнитного поля, то его положение отно­ сительно центра тяжести описывается уравнением сле­ дующего вида

Величина нормального расщепления ц,о//г=# распадает­ ся на три компоненты, каждая из компонент расщепля­ ется на 25+ 1 эквидистантных компонент, находящихся друг от друга на расстоянии, не зависящем от напряжен­ ности внешнего магнитного поля.

Принадлежность спектральных линий к той или иной се­ рии объясняется типом их магнитного расщепления, кото­ рый однозначно определяется совокупностью квантовых чисел.

По типу магнитного расщепления линии можно найти значения квантовых чисел, следовательно, выяснить при­ роду соответствующих им термов.

Обычно непосредственно по наблюдаемому типу расщеп­ ления линии находят расщепление ее термов. Зная же расщепление термов, по таблицам находят квантовые чи­ сла L , S, J, характеризующие термы.

Как указывается в работе [43], в спектре железа имеется группа ярких линий, расположенных в области 5507—

о

5270 А. Экспериментально выявлены три линии, для ко­ торых установлен тип зеемановского расщепления: а

именно для Я=5371,49; 5446,92 и 5269,54 А.

Кроме явления расщепления спектральных линий под влиянием магнитного поля, Штарком в 1913 г. было от­ крыто расщепление линий в электрическом поле,

82

У неводородных атомов в слабых внешних электрических полях этот эффект отсутствует или проявляет себя весьма слабо.

Смещение линий практически определяется смещением их верхнего уровня, так как смещение нижнего уровня относительно мало. Обычно же рассматривают смещение под действием электрического и магнитного полей.

Наиболее важное значение для спектрального анализа имеет спектр железа. Поэтому спектры железа весьма полно интерпретированы, установлено около 150 термов Fei и выше 100 термов Fen.

Для железа спектры Fei и Fen имеют наибольшее рас­

однократно ионизированного атома железа Fen-

КОНЦЕНТРАЦИИ АТОМОВ, ИОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ В ЯДРЕ ДУГИ

Для определения плотностей атомов и ионов в различ­ ных состояниях, а также для нахождения плотности эле­ ктронов разработаны различные методы.

Существуют методы определения электронных плотно­ стей по штарковским профилям спектральных линий и по изменению оптического показателя преломления.

Большинство атомов и ионов находятся на различных энергетических уровнях, поэтому наиболее желательным методом являются прямые измерения их концентрации по заселенности подуровней. Но на этом пути имеется еще ряд нерешенных задач. Обычно приходится ограни­ чиваться расчетными значениями заселенности основных состояний, вычисленной по плотности электронов на бо­ лее высоких уровнях.

При этом сначала определяют плотность свободных электронов в плазме как наибольшую. Затем принимают,

и др. определяют плотность нейтральных атомов в верх­ нем состоянии.

Из большого числа методов определения электронных плотностей наиболее надежным является метод, основан­ ный на измерении оптического показателя преломления.

S3

Оптический показатель преломления

В определенной области длин волн, охватываемой спект­ ром, коэффициент преломления только незначительно от­ личается от единицы. Так, в области спектров дуг стале-

о

плавильных печей для длин волн от 4480 до 5862 А пока­ затель преломления ц.= 1,82 *.

При условии |ДА,|<СА,

верхнем состоянии.

Вблизи центра линии это уравнение не выполняется. Од­ нако если принять ДА, равным полуширине линии, то по формуле (VI-20) можно определить верхний предел для (п—1). При этом оказывается, что значение показателя преломления мало. Это подтверждает, что даже вблизи точек половинной интенсивности некоторых спектраль­ ных линий имеет место слабое отклонение световых лу­

длины волны.

* Данные автора.

84

В эффективную плотность N'e входят электроны, находя­ щиеся на уровнях, которые отличаются от потенциала ио­

ляет определить ориентировочную плотность электронов в плазме.

Вдали от спектральных линий большое влияние на коэф­ фициент преломления оказывают йейтральные атомы в основном состоянии. В конечном итоге

Штарковские профили

Отличительной особенностью метода штарковских про­ филей является то, что он позволяет определить плот­ ность электронов плазмы даже при неизвестном содержа­ нии химического состава газа. Этот метод может быть ис­ пользован как контрольный. Он основан на сравнении измеренных и вычисленных ширин спектральных линий. Более подробно о ширине спектральных линий будет разобрано в гл. V I I . Здесь же отметим, что под полной шириной линии понимается разность двух волн между двумя точками, в которых интенсивность уменьшается в два раза по сравнению с максимальной. Обычно полную ширину находят из графика интенсивностей линий.

Электронная плотность определяется по формуле [21]:

Ne = cAkT,

Величина коэффициента с для некоторых линий водоро­ да и водородоподобных линий приведена в работе [21, с. 429].

S5

лить приблизительную плотность электронов в ядре элек­ трической дуги.

Результаты определения Ne двумя последними методами сильно различаются: 10,8-1021 2,01 -108 см~3. По этому поводу Г. Грим [21, с. 242] пишет, что неопределенности объясняются приближенным характером этих уравнений равновесия и экспериментальными ошибками. Часто при расчетах невозможно уменьшить ошибки при определе­ нии полной электронной плотности плазмы и газа ниже, например, 30%. Приведенные же результаты определе­ ния Л^е превышают даже этот процент ошибок.

Учитывая значительную неточность основных величин в формуле плотности электронов по методу штарковских профилей, можно принять, что наиболее надежные ре­ зультаты дает метод показателя преломления.

Исходя из определенного выше числа электронов в ядре дуги (8,2-101 9 см~3), можно считать, что плотность элект­ ронов в ядре составляет — 10-1020 см-3.

ГЛАВА VII ИНТЕНСИВНОСТЬ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ

ИЗЛУЧЕНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ

С точки зрения классической электродинамики колеб­ лющийся электрон (осциллятор) излучает в единицу времени энергию [43]

где г ускорение электрона.

86

Мощность излучения единицы объема, содержащей iVv осцилляторов, испускающих излучение с частотой v, бу­ дет равна

E=ENv=l-^a'*N, Зс3 (VII-2)

т.е. мощность прямо пропорциональна квадрату ампли­ туды а, четвертой степени частоты v и числу излучаю­ щих осцилляторов Nv.

По первоначальной теории Бора, испускание спектраль­

а общая мощность излучения определяется числом эле­ ментарных актов испускания

нице объема в единицу времени.

В дальнейшем Эйнштейн связал излучение с вероятно­ стью перехода. При движении атома между энергетиче­ скими уровнями с энергиями Wi и Wu. переход k-^i ве­ дет к испусканию света, а переход i-*-k к поглощению. По Эйнштейну, излучающие переходы k-н. могут быть спонтанными, происходящими без какого-либо воздей­ ствия извне, и индуцированными, происходящими под влиянием излучения частоты Vki-

При этом число спонтанных, индуцированных и погло­ щаемых переходов в единице объема в единицу времени

атоме.

Коэффициент Аы называют вероятностью перехода в единицу времени. Он имеет размерность сект1. Каждо­ му переходу i—>k в любом атоме соответствует опреде­ ленная сила осциллятора.

87

Существуют различные экспериментальные методы из­ мерения вероятностей переходов Ац,. Составлены гото­ вые таблицы вероятностей переходов и сил осциллято­ ров для различных элементов [47]. Эти таблицы, выпу­ щенные бюро стандартов США, содержат свыше 25000 значений сил осцилляторов и вероятностей переходов для линий 70 элементов.

Для 39 000 спектральных линий 70 элементов в нитер-

о

вале длин волн 2000—9000 А были определены относи­ тельные интенсивности и энергетические уровни. Напри-

о

мер, для Fei при длине волны от 3581 до 5456 А и пере­ ходов a5 F5 —Z5 G0 и a5 F,—Z5 G\ абсолютное значение си­ лы осциллятора / равно 0,036 и относительное — от 1460 до 36.

ШИРИНА СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ

В классической электродинамике осциллятор при излу­ чении совершает затухающие колебания, поэтому вместо монохроматической спектральной линии он испускает расширенную линию.

Шириной линии называют ширину ее контура при зна­ чении ординаты, равной половине от максимальной, т.е.

выражение естественной ширины линии в шкале частот. Оно имеет вид:

С точки зрения квантовой электродинамики, естествен­ ная ширина спектральных линий различна.

Если источником колебаний являются атомы или моле­ кулы, совершающие беспорядочное движение, то зависи­ мость частоты света от скорости приводит к симметрич-

•88