фізика / 2 семестр 2 атестація / тема 13 атом і ядро / заняття 55

Тема 6. Випромінювання і спектри

1. Джерело світла. Теплове випромінювання.

2. Електролюмінесценція. Катодолюмінесценция. Хемілюмінесценция. Фотолюмінесценція.

3. Розподіл енергії в спектрі. Спектри. Спектри поглинання. Спектральний аналіз.

4. Інфрачервоне випромінювання. Ультрафіолетове випромінювання.

5. Рентгенівське проміння. Рентгеноструктурний аналіз

6. Шкала електромагнітних випромінювань.

Лабораторна робота №17 «Спостереження суцільного і лінійчатого спектрів»

Ключові слова: випромінювання, електролюмінесценція, катодолюмінесценция, хемілюмінесценция, фотолюмінесценція, спектри, спектральний аналіз, інфрачервоне і ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське проміння, рентгеноструктурний аналіз, шкала електромагнітних випромінювань.

Джерело світла

Електромагнітні хвилі випромінюються при прискореному русі заряджених частинок, які можуть входити до складу атома. Подібно струні, що починає звучати лише після удару молоточка, атоми народжують світло тільки після їх збудження.

Для того, щоб атом почав випромінювати, йому необхідно передати певну енергію. Випромінюючи, атом втрачає одержану енергію, і для безперервного свічення речовини необхідна притока енергії до його атомів ззовні.

Теплове випромінювання

Найпростіший і поширеніший вид випромінювання - це теплове випромінювання, при якому втрати атомами енергії на випромінювання світла компенсуються за рахунок енергії теплового руху атомів (або молекул) випромінюючого тіла. При зіткненні швидких атомів (або молекул) один з одним частина їх кінетичної енергії перетворюється на енергію збудження атомів, які потім випромінюють світло.

Джерелом теплового випромінювання є Сонце, а також звична лампа розжарювання. Лише близько 12% всієї енергії, що виділяється в нитці лампи електричним струмом, перетвориться в енергію світла. Тепловим джерелом світла є полум'я. Крупинки сажі (що не встигли згоріти частинки палива) розжарюються за рахунок енергії, що виділяється при згоряє палива, і випускають світло.

Електролюмінесценція

При розряді в газах електричне поле повідомляє електронам велику кінетичну енергію. Швидкі електрони набувають непружні зіткнення з атомами і передають атомам енергію, унаслідок чого ті збуджуються і віддають енергію у вигляді світлових хвиль. Завдяки цьому розряд в газі супроводжується свіченням. Це явище називається електролюмінесценцією.

Північне сяйво є проявом електролюмінесценції. Електролюмінесценція використовується в трубках для рекламних написів.

Катодолюмінесценция

Свічення твердих тіл, викликане бомбардуванням їх електронами, називають катодолюмінесценцией. Завдяки катодолюмінесценциі світяться екрани електронно-променевих трубок телевізорів.

Хемілюмінесценция

При деяких хімічних реакціях, що йдуть з виділенням енергії, частина цієї енергії безпосередньо витрачається на випромінювання світла. Джерело світла залишається холодним (він має температуру навколишнього середовища). Це явище називається хемілюмінесценцией. Властивістю свічення володіють деякі живі організми: бактерії, комахи, глибоководні риби.

Фотолюмінесценція

Падаюче на речовину світло частково відображається, а частково поглинається і викликає свічення. Це явище називається фотолюмінесценцією. Випромінюване при фотолюмінесценції світло має, як правило, більшу довжину, ніж світло, збудливе свічення. Якщо спрямувати на судину з флюоресцєїном (органічний фарбник) світловий пучок, пропущений через фіолетовий світлофільтр, то ця рідина починає світитися зелений-жовтим світлом, тобто світлом більшої довжини хвилі, ніж біля фіолетового світла.

Розподіл енергії в спектрі

Жодне з джерел не дає монохроматичного світла, тобто світла строго певної довжини хвилі, а дає спектр хвиль різної довжини. Для кожного випромінювання характерний певний розподіл випромінювання по частотах. Інтенсивність, що доводиться на одиничний інтервал частот, називають спектральною густиною інтенсивності випромінювання. За наслідками дослідів можна побудувати криву залежності спектральної густини інтенсивності випромінювання від частоти. По вигляду кривій можна визначити склад випромінюваної речовини.

Спектри можна розділити на три типи.

1. Безперервні спектри. Сонячний спектр або спектр дугового ліхтаря, є безперервним. Це означає, що в спектрі наявні хвилі всіх довжин, але спектральна густина інтенсивності випромінювання для різних тіл має максимум при певній частоті.

При підвищенні температури максимум спектральної густини випромінювання зміщується у бік коротких хвиль.

Безперервні (або суцільні) спектри дають тіла, що знаходяться в твердому або рідкому поляганні, сильно стислі гази, а також високотемпературна плазма.

2. Лінійчаті спектри. Є частоколом кольорових ліній різної яскравості, розділених широкими темними смугами. Це означає, що речовина випромінює світло тільки цілком певних довжин хвиль (точніше в певних дуже вузьких спектральних інтервалах). Лінійчаті спектри дають всі речовини в газоподібному атомарному (але не молекулярному) поляганні. Ізольовані атоми випромінюють строго певні довжини хвиль. При збільшенні густини атомарного газу окремі спектральні лінії розширяються, а при дуже великому стисненні газу ці лінії перекривають одна однієї, утворюючи безперервний спектр.

3. Смугастий спектр складається з окремих смуг, розділених темними проміжками. Кожна смуга складається з великого числа дуже тісно розташованих ліній. На відміну від лінійчатих спектрів смугасті спектри створюються не атомами, а молекулами, не зв'язаними або слабко зв’язаними одне з одним.

Спектри поглинання

Газ поглинає найінтенсивніше світло якраз тих довжин хвиль, які він випускає в сильно нагрітому стані. Темні лінії на фоні безперервного спектру - це лінії поглинання, що створюють у сукупності спектр поглинання.

Спектральний аналіз

Спектральний аналіз - метод визначення хімічного складу речовини по його спектру. За допомогою спектрального аналізу можна знайти даний елемент у складі складної речовини, якщо навіть його маса не перевищує 10^-10 г. Це дуже чутливий метод, хоча визначити кількісний склад за спектром дуже важко.

Інфрачервоне випромінювання

Інфрачервоне випромінювання випускає будь-яке нагріте тіло навіть у тому випадку, коли воно не світиться. Наприклад, батареї опалювання в квартирі випускають інфрачервоні хвилі, що викликають помітне нагрівання оточуючих тел. Тому інфрачервоні хвилі часто називають тепловими.

Не сприймані оком інфрачервоні хвилі мають довжини, що перевищують довжину хвиль червоного світла. Максимум енергії випромінювання електричної дуги і лампи розжарювання припадає на інфрачервоні промені. Інфрачервоне випромінювання застосовують для сушки лакофарбних покриттів, овочів, фруктів і т.д. Створені прилади, в яких не видиме оком інфрачервоне зображення об'єкту перетвориться у видиме. Виготовляються біноклі і оптичні приціли, що дозволяють бачити в темряві.

Ультрафіолетове випромінювання

Існують електромагнітні хвилі з довжиною хвилі меншою, ніж у фіолетового світла, вони називаються ультрафіолетовим. Воно відрізняється високою хімічною активністю. Ультрафіолетове проміння не видиме, але дія їх на сітківку ока і шкіру велика і руйнівна. Ультрафіолетове випромінювання Сонця недостатньо поглинається верхніми шарами атмосфери. Тому високо в горах не можна залишатися тривало час без одягу і без темних окулярів. Скляні окуляри, прозорі для видимого спектру, захищають очі від ультрафіолетового випромінювання, оскільки скло сильно його поглинає. Помірне перебування на Сонці корисне, особливо в юному віці: ультрафіолетове проміння сприяє зростанню і зміцненню організму (виробляється вітамін D₂).

Рентгенівське проміння

Рентгенівське проміння - короткохвильове електромагнітне випромінювання, яке виникає при різкому гальмуванні електронів. Завдяки малій довжині хвилі рентгенівське проміння володіє великою проникаючою здатністю.

Рентгеноструктурний аналіз

Рентгеноструктурний аналіз використовує властивості рентгенівського проміння, довжина хвилі яких  = 0,5 - 2,5 Å. Випромінювання 0,5 Å - жорстке рентгенівське випромінювання не шкідливе для людини; випромінювання ~ 2,5 Å - м'яке рентгенівське випромінювання шкідливе для людини, оскільки довжина хвилі сумірно з розмірами молекул, і випромінювання може поруйнувати молекули. Але м'яке випромінювання з успіхом застосовується для аналізу кристалів, оскільки завдяки дифракції і впорядкованій структурі кристала можна одержати певну картину, характерну тільки для даного кристала.

Властивості рентгенівського проміння:

1. Мала довжина хвилі, порівнянна з розмірами атомів і відстанню між ними.

2. Велика енергія фотона, порівнянна з енергією зв'язку електронів найглибших оболонок.

3. Оптика рентгенівського проміння аналогічна для світлових хвиль, але:

а) практично при заломленні не відхиляються (<< 0,01%);

б) дифракція на кристалах 2dSin = n;

в) рентгенівське проміння не відображається, а розсівається.

4. Поляризаційна площина майже не обертається.

Шкала електромагнітних випромінювань

Примітка

дві взаємнопроникаючі

великі області

В И П Р О М І Н Ю В А Н Н Я

Інфрачервоне  м; Гц теплові джерела, квантові генератори, сантиметр.діап.-мазери	низькочастотне  м;  Гц електричні генератори	- розділення умовне за способом генерації
видиме КОЖЗГСФ  м;  Гц лампи розжарювання, люмінесцентні лампи, оптичні квантові генератори - лазери	2) радіовипромінювання пристрій зв'язку, локації, навігація, віщання, телебачення	- чіткої межі немає в областях, що перекриваються, однакові, а способи збудження різні
ЗАГАЛЬНЕ розповсюджується у вакуумі 3108 м/с; фізична природа; проявляє хвильові властивості: відбивання заломлення інтерференція дифракция поляризация 3) ультрафіолетове  м;=1014-1017Гц ел.дуга, газорозрядні джерела світла
4) рентгенівське  м;=1017-1020Гц рентгенівські трубки, бетатрони
5) гамма-випромінювання  м;=1020-1021Гц розпад радіоактивних ядер атомів і елементарних частинок
6) гальмівне випромінювання високих енергій електрон. прискорювачі, патлів. прискорювачі

Питання для самоконтролю

1. Що таке випромінювання? Які види випромінювань ви знаєте?

2. Які приклади випромінювань ви знаєте?

3. Які бувають спектри?

4. На чому ґрунтується спектральний аналіз? Які його переваги і недоліки?

5. Основні властивості рентгенівського проміння?

6. На чому ґрунтується рентгеноспектральний аналіз? Які його переваги і недоліки?

7. Основні характеристики шкали електромагнітних випромінювань?

Вправа 55

1. До якого виду треба віднести промені, енергія фотонів яких становить 2^.10^-17, 4^.10^-19та 3^.10^-23 Дж?

2. Визначити довжину хвилі й частоту випромінювання, маса фотонів якого дорівнює масі спокою електрона. Якого типу це випромінювання?

3. Чим вищу напругу прикладати до рентгенівської трубки, тим «жорсткіші» (тобто з коротшими хвилями) промені вона випускає. Чому? Чи зміниться «жорсткість» випромінювання рентгенівської трубки, якщо, не змінюючи анодної напруги, змінити розжарювання нитки катода?

4. Під якою напругою працює рентгенівська трубка, якщо «найжорсткіші» промені в рентгенівському спектрі цієї трубки мають частоту 10¹⁹ Гц?