ответы. 1. Энергетические величины. Поток излучения Фе величина, равная отношению энергии w излучения ко времени t, за которое излучение произошло Единица потока излучения ватт (Вт. Энергетическая светимость (излучательность) R
 Скачать 4.74 Mb.
|
рое, в свою очередь, однозначно связано с пространств. распределением концентрации атомов, молекул и электронов в исследуемом объеме. В случае фазовых объектов чувствительность методов Г. и. может быть увеличена за 1 / 2 , в единицах h), то Сов. приводит к расщеплению уровней энергии в атоме водорода (и водородоподобных атомах) на два близких подуровня - к дублетной структуре уровней. У многоэлектронных атомов картина тонкого расщепления уровней энергии оказывается более сложной. Атомы щелочных металлов, у к-рых полный спин электронов равен 1 / 2 , также обладают дублетной структурой уровней энергии. ТОНКАЯ СТРУКТУРА (мультиплетное расщепление) уровней энергии - расщепление уровней энергии (термов) атома, молекулы или кристалла, обусловленное гл. обр. спин-орбитальным взаимодействием. Тонкое расщепление уровней - причина возникновения T. с. спектральных линий. Мультиплетное расщепление электронных уровней энергии молекул связано ст. н. взаимодействием спин - ось. Спин-орбитальное взаимодействие играет осн. роль в атомах с одним электроном сверх заполненных оболочек, а также атомов, расположенных в середине ив конце периодич. системы. Число подуровней, на к-рое расщепляется уровень энергии с полным орбитальным моментом L и полным спином S при S<=L, равно мультиплетности уровня энергии 2S+1, а при S>L оно равно 2L+1. Каждый подуровень (компонента T. с) характеризуется квантовым числом J полного момента импульса электрона J= L + S. Разности энергий между соседними компонентами T. с. уровня энергии сданными ив большинстве случаев, когда понятие T. с. имеет смысл, удовлетворяют правилу интервалов Ланде: где А-постоянная спин-орбитального взаимодействия, зависящая только от L и S. Для высоко возбуждённых уровней , где -эффективное главное квантовое число, d l - квантовый дефект В многоэлектронных атомах правило интервалов Ланде иногда нарушается вследствие взаимодействия (наложения) конфигураций, а также магн. взаимодействий между спинами электронов и взаимодействий спина одного электрона с орбитальными моментами др. электронов (взаимодействие спин - чужая орбита. Последние два типа взаимодействий играют важную роль в гелиеподобных и нек-рых др. лёгких атомах и ионах. В спектрах водородоподобных атомов =1/2) сдвиг уровня энергии (с учётом зависимости массы от скорости) равен -1 О T. с. уровней энергии атома имеет смысл говорить лишь в том случае, когда достаточно хорошо выполняется приближение LS- или связи (см. Связь векторная )и тонкое расщепление мало по сравнению с расстоянием между уровнями энергии. 43. Уравнение Шредингера для атома водорода Уравнение Шредингера, примененное к атому водорода, позволяет получить результаты боровской теории атома водорода без привлечения постулатов Бора и условия квантования. Квантование энергии возникает как естественное условие, появляющееся при решении уравнения Шредингера, в некотором смысле аналогичное причине квантования энергии для частицы в потенциальной яме. Применить стационарное уравнение Шредингера (7.3) к атому водорода это значит а) подставить в это уравнение выражение для потенциальной энергии взаимодействия электрона с ядром б) в качестве m подставить m e - массу электрона (если пренебречь, как ив лекции N 4, движением ядра. После этого получим уравнение Шредингера для атома водорода: Так как потенциальная энергия зависит только отрешение уравнения удобно искать в сферической системе координат r, θ, рис. 8.1) Рис. 8.1 Волновая функция в этом случае будет функцией отите. Оператор Лапласа необходимо записать в сферических координатах, те. выразить через производные пои. Мы не будем этого делать, E > 0 ). Это так называемые несвязанные состояния электрона, когда он пролетает мимо ядра и уходит от него на бесконечность б) при дискретных отрицательных значениях энергии Эта формула совпадает с полученной Бором формулой для энергии стационарных состояний атома водорода. Целое число n называют главным квантовым числом 2. Квантовые числа Волновые функции электрона ψ nlm (r, θ, φ) определяются тремя целочисленными параметрами n, l, m e . Эти целые числа называются квантовыми числами n - главное квантовое число, оно, как мы знаем (см. (8.3)), определяет значение энергии E n , n=1,2,3┘; l - азимутальное (орбитальное) квантовое число, оно определяет L - модуль момента импульса электрона. При заданном n азимутальное квантовое число l может принимать следующие значения всего n значений. Следовательно, из уравнения Шредингера вытекает, что момент импульса электрона в атоме водорода квантуется и может принимать n значений. Так при n = 1 азимутальное квантовое число может принимать единственное значение l = 0 . При n = 2 возможны значения l = 0,1 l - это магнитное квантовое число Из уравнения Шредингера также следует, что проекция момента импульса L на выбранное направление в пространстве, скажем, ось z , также квантуется. Величина этой проекции, L z , связана с квантовым числом При заданном l магнитное квантовое число может принимать следующие значения всего 2l + 1 значений. Значит, при заданной главным квантовым числом n энергии E n возможны n значений азимутального квантового числа от l = 0 дои значений магнитного квантового числа Таким образом, при заданном n число различных волновых функций ψ nlm , отвечающих заданной энергии E n , будет равно Говорят, что уровень энергии E n будет вырожден с кратностью В атомной физике применяют заимствованные из спектроскопии условные обозначения состояний электрона с различными значениями момента импульса l = 0 - состояние l = 1 - состояние l = 2 - состояние l = 3 - состояние затем идут g, h и дальше в алфавитном порядке. Значение главного квантового числа n указывают перед буквой, являющейся условным обозначением азимутального квантового числа l. 1 и азимутальным квантовым числом l = 0 (на это указывает буква s ). 44. Спектры атомов и ионов с двумя валентными электронами 45. Возбуждение и дезактивация атомов и молекул при столкновениях. Сечения и константы скорости элементарных процессов, оптические функции возбуждения спектральных линий ВОЗБУЖДЕНИЕ АТОМА И МОЛЕКУЛЫ ВОЗБУЖДЕНИЕ АТОМА И МОЛЕКУЛЫ - квантовый переход атома или молекулы с более низкого (напр, основного) уровня энергии на более высокий при поглощении ими фотонов (фотовозбуждение) или при столкновениях с электронами и др. частицами (возбуждение ударом. Под действием света относительно слабой интенсивности В. аи м. происходит в результате поглощения одного фотона частоты и энергии , где - энергии нач. и конечных уровней энергии атомной системы (с учётом ширины уровней. Сечение фотопоглощения равно где - длина волны света, - статистич. веса начальных и конечных уровней энергии безразмерная величина - вероятность спонтанного испускания, приходящаяся на единичный интервал частот, зависящая от сорта атомов и характеристик уровней энергии В поле лазерного излучения возможно возбуждение с одноврем. поглощением неск. фотонов, суммарная энергия к-рых равна энергии перехода в атоме или молекуле (см. Многофотонные процессы. При столкновениях с электронами и др. атомными частицами элементарный акт В. а. им. характеризуется сечением возбуждения , зависящим от строения сталкивающихся частиц и скорости их относит. движения v (см. Столкновения атомные Для анализа кинетики возбуждения используется величина, наз. скоростью возбуждения где - ф-ция распределения по скоростям возбуждающих частиц. Кинетич. энергия частиц, равная энергии перехода в атоме (молекуле, наз. пороговой. При возбуждении нейтральных атомов (кроме водорода) электронами пороговой энергии равно нулю. С ростом энергии электронов вплоть до значений порядка 2-5 пороговых (в зависимости от строения электронных оболочек) возрастает, а при больших энергиях начинает убывать. На возрастающей части кривой зависимости от энергии электронов возможно наличие неск. максимумов, 1-2 в атоме водорода протонным ударом. Рис. 1. Сечение возбуждения перехода 1-2 в атоме водорода при столкновении с электронами в зависимости от энергии электронов точки - экспериментальные данные, сплошная кривая - теоретическая. Возбуждение молекул при атомных столкновениях характеризуется большим многообразием процессов в связи с наличием колебат. и вращат. структуры их уровней энергии. Возбуждение электронных переходов (при усреднении по колебательно- вращат. состояниям) в целом описывается теми же закономерностями, что и возбуждение атомов. Колебат. и электронно-колебат. переходы исследованы полнее, чем вращательные. 46. Газоразрядная плазма как объемный источник света. Роль реабсорбции и пленения излучения Газоразрядным источником света называют прибор, в котором излучение видимого диапазона возникает в результате различных процессов, связанных с прохождением электрического тока через газ. В зависимости оттого, что является основным источником излучения, газоразрядные лампы подразделяются на: 1.Газоразрядные лампы, в которых основным источником излучения являются возбуждённые атомы, молекулы. 2.Фотолюминесцентные(или просто люминесцентные) лампы, в которых основным источником света является люминофор, возбуждаемый излучением газового разряда. 3.Электродосветные лампы, в которых излучающим элементом являются электроды, нагреваемые в газовом разряде до высокой температуры. Необходимо отметить, что в лампах второго и третьего типа к основному излучению добавляется излучение газового разряда, так что они дают смешанное излучение Вгазоразрядных источниках действия чаще всего используются две формы разряда тлеющий и дуговой. Значительно реже применяется высокочастотный безэлектродный разряд. В импульсных источниках света применяются искровые и дуговые разряды. Наибольшее количество газоразрядных ламп применяется для Весьма перспективными являются лампы с разрядом в парах различных веществ натриевые, цезиевые, с йодным циклом и др, которые имеют высокую светоотдачу, хорошие спектральные характеристики излучения и т.д. Промышленностью выпускаются мощные ксеноновые газоразрядные лампы, имеющие непрерывный спектр излучения, близкий к солнечному. Помимо освещения, газоразрядные источники света находят применение в самых различных областях народного хозяйства. Сюда можно отнести приборы, дающие УФ излучение(ртутно- кварцевые, эритемные, бактерицидные, различные лампы специального назначения, импульсные приборы, ИК лампы и т.д. Наряду со многими достоинствами, газоразрядные источники излучения обладают и рядом недостатков. Одним из главных недостатков является необходимость специального пускорегулирующего устройства при включении их в сеть. Кроме того, в большинстве случаев для устойчивой работы ламп необходимо включать в цепь балласт, ограничивающий ток разряда. Лампы, использующие разряд в парах металла, имеют довольно большое время запуска. Наиболее важными техническими параметрами газоразрядных источников излучения являются их световой или лучистый) поток, потребляемая мощность и срок службы. Проектирование любого источника излучения ведётся исходя из условия получения максимальной эффективности или светоотдачи. Мощность установки с газоразрядным источником излучения Руст складывается из мощности, потребляемой в самой лампе, и мощности, расходуемой в пус- корегулирующей аппаратуре Р б . Мощность, потребляемая лампой Р л , в свою очередь, складывается из мощности, выделяемой на катоде Р к , аноде Р а и положительном столбе Р ст .: Р уст = Р л +Р б = (Р ст +Р а +Р к )+Р б (7.4) Задача создания лампы с высоким КПД излучения связаны в первую очередь с уменьшением непроизводительных потерь энергии. К таким потерям относится мощность в пускорегулирующей аппаратуре. Для источников света, в которых излучение даёт столб разряда, потерями является мощность, выделяемая на катоде и аноде. Для инженерных расчётов необходимо знание баланса энергии столба в зависимости от условий разряда. Обобщённая картина баланса в столбе была создана В.Н.Клярфельдом применительно к разряду в одноатомных газах и парах. В балансе энергии выделяется мощность, расходуемая на резонансное и нерезонансное излучение, тепловые потери в объёме и на стенке трубки. На рис показан баланс энергии столба разряда в атомарных газах в зависимости от давления. Рис.7.6. Баланс энергии положительного столба разряда в ртути: а - при плотностях тока в десятки миллиампер на квадратный сантиметр; б- при плотностях тока в амперах на квадратный сантиметр Из рисунка следует, что наибольший выход резонансного излучения имеет место в области малых плотностей тока и низких давлений. Наибольшие значения КПД рез при этих условиях могут достигать. Наибольший выход нерезонансных излучений имеет место при больших плотностях тока и высоких давлениях. Таким образом, при конструировании газоразрядного источника излучения необходимо исходить из энергетического баланса лампы, максимально используя условия, обеспечивающие интенсивное излучение, и снижая потери в пускорегулирующей аппаратуре и |