- •Кафедра энергетики и электроники атомно-абсорбционная спектрометрия
- •От составителей
- •Введение
- •Цель работы
- •Глава 1. Основы спектрального анализА
- •1.1 Характеристики излучения
- •1.2 Оптические характеристики вещества
- •1.3 Поглощение и излучение спектральных линий
- •1.4 Вероятности переходов
- •1.5 Уширение спектральных линий.
- •1.6 Коэффициент поглощения и испускания в спектральной линии
- •1. 7 Спектральные приборы
- •Глава 2. Атомно-абсорбционный анализ
- •2.1 Методы измерения поглощения
- •2.2 Схема атомного-абсорбционного метода Уолша
- •2.3 Оборудование атомно-абсорбционного анализа
- •Глава 3. Атомно – абсорбционный спектрометр мга – 915
- •3.1 Принцип действия и физические основы спектрометра
- •3.2 Функциональная схема спектрометра
- •3.3 Конструкция спектрометра
- •3.4 Порядок работы со спектрометром
- •3.4.1 Расположение органов управления и их назначение
- •Установка спектрометра «мга-915» на рабочем месте
- •3.4.3 Установка и смена графитовой кюветы
- •3.4.4 Установка спектральных источников излучения
- •3.4.5 Включение и настройка спектрометра
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Контрольные вопросы
1.4 Вероятности переходов
В соответствии с тремя процессами, а именно поглощением, индуцированным излучением и спонтанным излучением, имеются три вероятности переходов, которые описывают процессы излучения и поглощения фотона.
Припишем верхнему уровню индекс
(рис. 4) обозначим энергию этого уровня
через
;
пусть нижний уровень имеет индекс
.
Число актов поглощения (в 1 сек и в 1 см3),
происходящих в линии под влиянием поля
излучения с плотностью излучения
,
дается выражением:
. (15)
Здесь
- плотность атомов, находящихся на нижнем
уровне
,
- коэффициент Эйнштейна для поглощения,
который определяется этим соотношением.
Число актов излучения (переходов с
на
),
происходящих в 1 сек и в 1 см3,
определится равенством:
. (16)
Здесь
- вероятность перехода (коэффициент
Эйнштейна) для спонтанного излучения,
- заселенность верхнего уровня,
- вероятность перехода для индуцированного
(вынужденного) излучения. В обеих формулах
плотность излучения полагается постоянной
в
пределах линии. Спонтанно испущенные фотоны обычно имеют изотропное распределение по направлениям. Направление же и фаза индуцированного фотона совпадают с направлением и фазой индуцирующего фотона.
Используя принцип детального равновесия,
заключающийся в равенстве скоростей
любых реакций в прямом и обратном
направлении, можно получить соотношения
между тремя вышеуказанными вероятностями
переходов. Если газ находится в полости,
где имеется равновесное излучение, то
и из (15) и (16) получаем:
. (17)
Известно, что в равновесных условиях распределение концентраций атомов по энергетическим уровням описывается формулой Больцмана:
, (18)
где n – полная концентрация одинаковых атомов, ni – концентрация атомов, находящихся на i-ом квантовом уровне с энергией Ei, gi – статистический вес i-го уровня, U(T) - статистическая сумма, определяемая формулой:
. (19)
Если для
использовать
формулу Больцмана, и заменить
на
,
то, сравнивая обе части уравнения (17),
можно получить следующие соотношения:
,
. (20)
Вместо вероятностей переходов часто используют силу осциллятора или, точнее, силу осциллятора при поглощении. Она связана с следующим образом (mo, ео – масса и заряд электрона):
. (21)
Сила осциллятора
есть безразмерная величина, физический
смысл которой определяется как «число
классических осцилляторов на атом» в
нижнем состоянии
.
Согласно этому определению, она меньше
или равна единице. С другой стороны,
измерения и расчеты показывают, что
значения
могут иногда превосходить единицу. Но
даже сегодня при описании процесса
поглощения термину «сила осциллятора»
отдается предпочтение по сравнению с
вероятностью перехода.
Для расчета интенсивности линий, излучаемых средой, а также наоборот, для спектроскопической диагностики среды, совершенно необходимо знать вероятности переходов для всех исследуемых линий. Имеется два способа нахождения вероятностей переходов: квантово-механическое вычисление и прямое измерение. При использовании обоих этих методов приходится сталкиваться со значительными и, частично, еще неразрешенными трудностями.
