25 Оптические спектры

Оптические спектры (ОС) – спектры электромагнитного излучения в инфракрасных видимых и ультрафиолетовых диапазонах шкалы электромагнитных волн.

ОС разделяют на спектры испускания (названные также спектрами излучения или эмиссионными спектрами), спектры поглощения, рассеяния и отражения.

Любой спектр, характеризующийся некоторой функцией f(λ), дающей распределение энергии (абсолютной или относительной) по длинам волн; при этом энергию рассчитывают на некоторый интервал λ. От функции f(λ) можно перейти к функции φ(ν) дающей распределение энергии по частотам

; (38)

тогда энергия рассчитывается на единицу интервала ν.

ОС регистрируются с помощью фотографических и фотоэлектрических методов, применяются также счётчики фотонов для ультрафиолетовой области, термоэлементы и болометры в инфракрасной области и т.д. В видимой области ОС можно наблюдать визуально.

По виду ОС разделяют на линейчатые, состоящие из отдельных спектральных линий, соответствующих дискретным значениям λ, полосатые, состоящие из отдельных полос, каждая из которых охватывает некоторый интервал λ, и сплошные (непрерывные), охватывающие большой диапазон λ.Строго говоря, отдельная спектральная линия также не соответствует вполне определённому значению λ,а всегда имеет конечную ширину, характеризующеюся узким интервалом λ. Каждому излучательному квантовому переходу между дискретными уровнями энергии и соответствует некото­рый интервал Δ частот, близкой к частоте перехода

(39)

Значение Δ определяет ширину спектральных линий (ШСЛ) – степень немонохроматичности данной спектральной линии.

26 Ширина спектральной линии

Ширина спектральных линий - интервал частот ν (или длин волн λ), характеризующий спектральные линии в спектрах оптических атомов, молекул и других квантовых систем.

Контур спектральной линии φ(ν), [зависимость интенсивности испускания (поглощения) от частоты] обычно имеют максимум при частоте перехода или вблизи её (рис). Δ – шсл, равный интервалу между частотами, которым соответствуют интенсивности вдвое меньше максимальной.

За ШСЛ принимают разность частот, которым соответствует понижение интенсивности вдвое (её называют иногда полушириной спектральной линии).

Если не учитывать эффект Доплера, ШСЛ определяется суммированием ширин уровней энергии и

, (40)

где Δ = – ,

, –средняя продолжительность жизни атома в возбуждённом состоянии, или время, в течение которого число атомов первоначально находившихся на возбуждённом уровне (k или i) понижение в раз;

т. е. Δ тем больше, чем меньше время жизни и .

В зависимости от типа уширения получается симметричный или асимметричный контур спектральной линии (на рисунке показан симметричный, так называемый дисперсионный контур, характерный для радиационного уширения).

27 Причины, приводящие к уширению спектральных линий

Помимо естественной ширины спектральных линий существуют другие причины, приводящие к уширению спектральных линий:

1. Ударное уширение связано с тем, что в результате соударений воз­буждённых атомов понижается время жизни атома в возбуждённом состоянии и спектральная линия уширяется.

2. Эффект Доплера – изменение частоты колебаний или длины волн воспринимаемых наблюдателем (преемником колебаний), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга, или излучающие возбуждённые атомы движутся в различных направлениях и с различными скоростями. Изменение частоты зависит от скорости и направления движения источника и приемника относительно среды, в которой распространяется волна.

Эффект Доплера имеет место при любом волновом процессе распределения энергии. Основная причина эффекта Доплера это изменение числа волн, укладывающихся на пути распространения между источником и приёмником. При сохранении λ, испускаемых источником, это приводит к изменению числа волн, достигающих приёмника в каждую секунду, то есть к изменению частоты принимаемых колебаний.

3. Эффект Зеемана – расщепление спектральных линий и уровней энергии во внешнем магнитном поле.

4. Эффект Штарка – расщепление спектральных линий и уровней энергии во внешнем электрическом поле.

Рис.8. Эффект Штарка

Энергия в изолированном атоме определяется числами n и l. Энергетические состояния вырождены по и s с кратностью g=2(2l + 1). Электрическое поле оказывает на энергетические уровни двоякое влияние:

1. расщепляет уровни на подуровни;

2. вызывает смещение подуровней.