Një numër i madh i fenomeneve të ndryshme ndodhin sepse energjia e atomeve dhe molekulave ndryshon. Në disa raste, për praktikë, nuk ka nevojë për një qasje atomiko-molekulare për analizën e fenomeneve. Në të tjerat, përdorimi efektiv i fenomenit është i mundur vetëm me konsiderimin e domosdoshëm të natyrës së tij molekulare (atomike).

Ky kapitull përshkruan veçoritë e rrezatimit dhe thithjen e energjisë nga atomet dhe molekulat, si dhe disa dukuri praktikisht të rëndësishme, njohja e natyrës atomike të të cilave është thelbësore për përdorimin e tyre. Disa nga kjo temë e gjerë diskutohen në kapitullin vijues.

29.1. VEÇORITË E RREZATIMIT DHE ABORBIMIT TË ENERGJISË

ATOMET DHE MOLEKULAT

Një atom dhe një molekulë mund të jenë në gjendje të palëvizshme të energjisë. Në këto gjendje, ata nuk emetojnë ose thithin energji. Gjendjet e energjisë përshkruhen skematikisht si nivele (shih, për shembull, Fig. 28.13). Niveli më i ulët i energjisë - niveli i tokës - korrespondon me gjendjen bazë.

Në tranzicionet kuantike, atomet dhe molekulat kërcejnë nga një gjendje e palëvizshme në tjetrën, nga një nivel energjie në tjetrin.

Një ndryshim në gjendjen e atomeve shoqërohet me tranzicionet e energjisë elektronet. Në molekula, energjia mund të ndryshojë jo vetëm si rezultat i tranzicioneve elektronike, por edhe si rezultat i ndryshimeve në dridhjet e atomeve dhe kalimeve midis niveleve rrotulluese.

Kur lëvizni nga më lart nivelet e energjisë i jep energji atomit ose molekulës së poshtme dhe e thith atë gjatë tranzicionit të kundërt. Një atom në gjendjen e tij bazë mund të thithë vetëm energji.

Ekzistojnë dy lloje të tranzicioneve kuantike:

1) pa rrezatim ose thithje të energjisë elektromagnetike nga një atom ose molekulë. Një tranzicion i tillë jo-rrezatues ndodh kur një atom ose molekulë ndërvepron me grimcat e tjera.

mi, për shembull, në procesin e përplasjes. Dalloni midis përplasjes joelastike, në të cilën gjendja e brendshme e atomit ndryshon dhe ndodh një tranzicion jo-rrezatues, dhe elastik - me një ndryshim në energjinë kinetike të atomit ose molekulës, por me ruajtjen e gjendjes së brendshme; 2) me emetimin ose thithjen e një fotoni.

Energjia e një fotoni është e barabartë me ndryshimin midis energjive të gjendjeve stacionare fillestare dhe përfundimtare të një atomi ose molekule:

Formula (29.1) shpreh ligji i ruajtjes së energjisë.

Në varësi të shkakut që shkakton një tranzicion kuantik me emetimin e një fotoni, dallohen dy lloje të rrezatimit. Nëse ky shkak është një grimcë e brendshme dhe e ngacmuar kalon spontanisht në një nivel më të ulët energjie, një rrezatim i tillë quhet spontane(Fig. 29.1, a). Është i rastësishëm dhe kaotik në kohë, frekuencë (mund të ketë kalime ndërmjet nënniveleve të ndryshme), në drejtim të përhapjes dhe polarizimit. Burimet konvencionale të dritës lëshojnë kryesisht rrezatim spontan. Rrezatimi tjetër i detyruar, ose i nxitur(Fig. 29.1, b). Ajo lind gjatë bashkëveprimit të një fotoni me një grimcë të ngacmuar, nëse energjia e fotonit është e barabartë me diferencën midis niveleve të energjisë. Si rezultat i një tranzicioni kuantik të detyruar, dy fotone identikë do të përhapen nga grimca në të njëjtin drejtim: njëri është parësor, i detyruar dhe tjetri është sekondar, i emetuar.

Energjia e emetuar nga atomet ose molekulat formon spektrin e emetimit dhe energjia e absorbuar formon spektrin e absorbimit.

Intensiteti vijat spektrale përcaktohet nga numri i tranzicioneve identike që ndodhin për sekondë, dhe për këtë arsye varet nga numri i atomeve që emetojnë (thithin) dhe probabiliteti i tranzicionit përkatës.

Tranzicionet kuantike nuk kryhen ndërmjet asnjë niveli energjie. Rregulla të përcaktuara të përzgjedhjes ose ndalimit, duke formuluar kushtet në të cilat tranzicionet janë të mundshme dhe të pamundura ose të pamundura.

Nivelet e energjisë së shumicës së atomeve dhe molekulave janë mjaft komplekse. Struktura e niveleve dhe, rrjedhimisht, spektrat nuk varet nga

vetëm nga ndërtimi atom të vetëm apo molekula, por edhe nga shkaqe të jashtme.

Ndërveprimi elektromagnetik i elektroneve çon në një ndarje të imët të 1 niveleve të energjisë (strukturë e imët). Ndikimi i momenteve magnetike të bërthamave shkakton ndarje hiperfine (strukturë hiperfine). E jashtme ndaj një atomi ose molekule, elektrike dhe fusha magnetike shkaktojnë gjithashtu ndarje të niveleve të energjisë (dukuri Stark dhe Zeeman; shih 30.2).

Spektrat janë një burim informacioni të ndryshëm.

Para së gjithash, atomet dhe molekulat mund të identifikohen nga forma e spektrit, i cili është pjesë e detyrave të analizës cilësore spektrale. Numri i atomeve emetuese (absorbuese) përcaktohet nga intensiteti i vijave spektrale - analiza sasiore spektrale. Në të njëjtën kohë, papastërtitë në përqendrime 10 -5 - 10 -6% janë relativisht të lehta për t'u gjetur dhe përbërja e mostrave me masë shumë të vogël - deri në disa dhjetëra mikrogramë - përcaktohet.

Nga spektri, mund të gjykohet struktura e një atomi ose molekule, struktura e niveleve të tyre të energjisë, lëvizshmëria e pjesëve individuale të molekulave të mëdha, etj. Duke ditur varësinë e spektrave nga fushat që veprojnë në një atom ose molekulë, njeriu merr informacion rreth pozicioni relativ grimcave, sepse ndikimi i atomeve (molekulave) fqinje kryhet nëpërmjet fushë elektromagnetike.

Studimi i spektrave të trupave në lëvizje bën të mundur, në bazë të efektit optik Doppler, të përcaktohen shpejtësitë relative të emetuesit dhe marrësit të rrezatimit.

Nëse marrim parasysh se është e mundur të nxirren përfundime për gjendjen, temperaturën, presionin etj. nga spektri i një lënde, atëherë mund të vlerësojmë shumë përdorimin e rrezatimit dhe thithjen e energjisë nga atomet dhe molekulat si një metodë kërkimore. .

Në varësi të energjisë (frekuencës) të një fotoni të emetuar ose të absorbuar nga një atom (ose molekulë), klasifikohen llojet e mëposhtme të spektroskopisë: radio, infra të kuqe, rrezatim i dukshëm, ultravjollcë dhe rreze x 2 .

Sipas llojit të substancës (burimi i spektrit), spektrat atomike, molekulare dhe spektratkristalet.

1 Termi "ndarje" këtu nuk nënkupton një proces, por një shtet tashmë të formuar.

2 Spektroskopia gama për shkak të tranzicioneve kuantike bërthamore nuk tregohet këtu.

29.2. ABORBIMI I DRITËS

Intensiteti i dritës që përhapet në një mjedis mund të ulet për shkak të përthithjes dhe shpërndarjes së saj nga molekulat (atomet) e substancës.

Duke thithur dritënquhet dobësimi i intensitetit të dritës kur kalon nëpër ndonjë substancë për shkak të shndërrimit të energjisë së dritës në forma të tjera të energjisë.

Le të vendosim ligjin e përthithjes së dritës nga materia. Nëse zgjedhim një shtresë të vogël lënde me trashësi dx(Fig. 29.2), atëherë zbutja e intensitetit dI të dritës nga kjo shtresë gjatë përthithjes do të jetë sa më i madh, aq më i madh është trashësia e shtresës dhe intensiteti i rënies së dritës në këtë shtresë:

ku k- indeksi i absorbimit natyror (faktori i proporcionalitetit që varet nga mediumi absorbues dhe nuk varet brenda kufijve të caktuar nga intensiteti i dritës); shenja “-” do të thotë se intensiteti i dritës zvogëlohet kur kalon nëpër substancë, d.m.th. unë<0. Интегрируя (29.2) и подставляя соответствующие пределы (рис. 29.2), получаем:

Kjo formulë shpreh Ligji i Bouguer-it për thithjen e dritës. Siç mund ta shihni, shkalla e përthithjes natyrore kështë reciproke e distancës në të cilën zbutet intensiteti i dritës si rezultat i përthithjes në mjedis në e një herë.

Indeksi natyror i përthithjes varet nga gjatësia e valës së dritës, prandaj këshillohet të shkruhet ligji (29.3) për dritën monokromatike:

ku kx- tregues natyral monokromatik i përthithjes.

Meqenëse thithja e dritës është për shkak të ndërveprimit me molekulat, ligji i përthithjes mund të lidhet me karakteristika të caktuara të molekulave.

Le Pështë përqendrimi i molekulave që thithin kuantet e dritës. Le të shënojmë seksionin kryq të absorbimit efektiv të një molekule si σ (disa zonë, kur një foton hyn në të cilën ai kapet nga molekula).

Sipërfaqja totale e seksionit kryq efektiv të molekulave të kësaj shtrese është e barabartë me σnSdx. Një fluks fotonesh bie në këtë shtresë Ф = ËSHTË. Pjesa e zonës efektive të prerjes kryq të molekulave në sipërfaqen totale të seksionit kryq:

Pjesa e fotoneve të përthithur nga shtresa mund të shprehet në terma të fluksit (F/F) ose intensitetit (dI/I) të dritës. Bazuar në sa më sipër, mund të shkruajmë:

29.3. SHPERNDARJE DRITE

Shpërndarja e dritësquhet fenomeni në të cilin një rreze drite që përhapet në një mjedis devijohet në të gjitha drejtimet e mundshme.

Kusht i domosdoshëm për shfaqjen e shpërndarjes së dritës është prania e inhomogjeniteteve optike, d.m.th. rajone me një indeks refraktiv të ndryshëm nga mediumi kryesor.

Shpërndarja dhe difraksioni i dritës kanë disa veçori të përbashkëta, të dyja dukuritë varen nga raporti i pengesës ose johomogjenitetit dhe gjatësisë së valës. Dallimi midis këtyre dukurive qëndron në faktin se difraksioni është për shkak të ndërhyrjes së valëve dytësore, dhe shpërndarja është për shkak të shtimit (dhe jo ndërhyrjes!) të rrezatimit që lind nga lëkundjet e detyruara të elektroneve në johomogjenitete nën ndikimin e dritës.

Ekzistojnë dy lloje kryesore të inhomogjeniteteve të tilla:

1) grimca të vogla të huaja në një substancë homogjene transparente. Mjetet e tilla janë të turbullta: tymi (grimcat e ngurta në gaz), mjegulla (pikat e lëngshme në gaz), suspensionet, emulsionet etj. Shpërndarja në media të turbullta quhet fenomeni Tyndall;

2) inhomogjenitetet optike që lindin në një substancë të pastër për shkak të devijimit statistikor të molekulave nga një shpërndarje uniforme (luhatjet e densitetit). Shpërndarja e dritës nga inhomogjenitete të këtij lloji quhet molekular; për shembull, shpërndarja e dritës në atmosferë.

Ulja e intensitetit të dritës për shkak të shpërndarjes, si në rastin e përthithjes, përshkruhet duke përdorur një funksion eksponencial:

ku m- indeksi i shpërndarjes (natyror).

Nën veprimin e kombinuar të thithjes dhe shpërndarjes së dritës, zbutja e intensitetit është gjithashtu një funksion eksponencial:

ku μ është indeksi i dobësimit (natyror). Është e lehtë të shihet se μ = m+k.

Rayleigh zbuloi se gjatë shpërndarjes në një mjedis të turbullt nga inhomogjenitete afërsisht më pak se 0.2λ, si dhe gjatë shpërndarjes molekulare, intensiteti i dritës së shpërndarë është në përpjesëtim të zhdrejtë me fuqinë e katërt të gjatësisë së valës. (Ligji i Rayleigh):

Kjo do të thotë se nga drita e bardhë një substancë, për shembull, në një pikë d(Fig. 29.3), rrezet blu dhe vjollcë do të shpërndahen kryesisht (drejtimi A) dhe rrezet e kuqe do të kalojnë në drejtim b dritë që bie. Një fenomen i ngjashëm vërehet në natyrë: ngjyra blu e qiellit është drita e shpërndarë, ngjyra e kuqe e diellit në perëndim është një ndryshim në spektrin e dritës së bardhë për shkak të shpërndarjes së konsiderueshme

rrezet blu dhe vjollce në atmosferë me incidencë të pjerrët (shih shpjegimin në Fig. 27.3).

Më pak shpërndarje e rrezeve të kuqe përdoret në sinjalizimin: dritat e identifikimit në fushat ajrore, semafori më i rëndësishëm është i kuq, etj. Rrezet infra të kuqe shpërndahen edhe më pak. Në fig. 29.4 tregon dy fotografi të peizazhit: në të majtë, të marra me metodën e zakonshme, mjegulla dukshmëria e kufizuar shumë: në të djathtë, e marrë në rrezatim infra të kuqe në një pllakë të veçantë, mjegulla nuk ndërhyn, doli të jetë transparente për valë më të gjata.

Nëse grimcat e pezulluara janë të mëdha në krahasim me gjatësinë e valës, atëherë shpërndarja nuk korrespondon me ligjin e Rayleigh (29.14) - emëruesi i fraksionit do të jetë λ 2 . Drita e shpërndarë humbet kaltërsinë e saj dhe bëhet më e bardhë. Kështu, qielli me pluhur i qyteteve na duket i bardhë, në kontrast me qiellin blu të errët të hapësirave të pastra detare.

Drejtimi i dritës së shpërndarë, shkalla e polarizimit të saj, përbërja spektrale etj. sillni informacion për parametrat që karakterizojnë bashkëveprimin ndërmolekular, përmasat e makromolekulave në tretësirë, grimcat në tretësirat koloidale, emulsionet, aerosolet etj.

Quhen metoda për matjen e dritës së shpërndarë për të marrë këtë lloj informacioni nefelometri, dhe pajisjet përkatëse nefelometra.

29.4. SPEKTRA ATOMIKE OPTIKE

Spektrat atomike janë të dyja spektrat e emetimit dhe spektrat e absorbimit që lindin gjatë tranzicioneve kuantike midis niveleve të atomeve të lira ose që ndërveprojnë dobët.

Me spektra atomike optike nënkuptojmë ato që janë për shkak të kalimeve ndërmjet niveleve të elektroneve të jashtme me energji fotonike në rendin e disa elektron volt. Kjo përfshin rajonet ultravjollcë, të dukshme dhe afër infra të kuqe (deri në mikrometra) të spektrit.

Me interes më të madh janë spektrat e emetimit atomik optik, të cilat përftohen nga atomet e ngacmuar. Ngacmimi i tyre zakonisht arrihet si rezultat i tranzicioneve kuantike jo-rrezatuese gjatë një shkarkimi elektrik në një gaz ose ngrohjes së një substance me një flakë djegëse gazi, një hark elektrik ose një shkëndijë.

Në 29.1, u dhanë konsiderata të përgjithshme rreth spektrave të atomeve. Informacione të hollësishme rreth spektrave të atomeve specifike mund të gjenden në librat e posaçëm të referencës mbi spektroskopinë. Si një shembull i thjeshtë, merrni parasysh spektrin e një atomi hidrogjeni dhe joneve të ngjashme me hidrogjenin.

Nga formulat (28.24) dhe (29.1) mund të merret një formulë për frekuencën e dritës së emetuar (të përthithur) nga një atom hidrogjeni (Z = 1):

Kjo formulë u gjet eksperimentalisht nga I.Ya. Balmer shumë përpara krijimit të mekanikës kuantike dhe teorikisht e marrë nga Bohr (shih 28.7); i dhe k janë numrat rendorë të niveleve ndërmjet të cilave ndodh kalimi kuantik.

Spektri mund të ndahet në grupe vijash të quajtura seri spektrale.

Çdo seri, siç zbatohet për spektrat e emetimit, korrespondon me kalimet nga nivele të ndryshme në të njëjtin nivel përfundimtar (Fig. 29.5).

E vendosur në rajonin ultravjollcë seri lyman, e cila formohet gjatë kalimit nga nivelet më të larta të energjisë në ato më të larta

më e ulët, kryesore (k = 1). Nga formula (29.15) për serinë Lyman marrim:

ato. gjeni frekuencat e të gjitha linjave të kësaj serie. Linja me gjatësi vale më të gjatë ka intensitetin më të lartë. Intensiteti i vijave spektrale në Fig. 29.5 tregohen me kusht nga trashësia e tranzicioneve të drejtpërdrejta përkatëse.

Në rajonet e dukshme dhe afër ultravjollcë të spektrit, ekziston seria Balmer, e cila lind si rezultat i kalimeve nga nivelet e sipërme të energjisë në të dytin (k = 2). Nga formula (29.15) për Seria Balmer marrim:

29.5. SPEKTRA MOLEKULARE

Spektrat molekularë (emetimet dhe përthithjet) lindin gjatë kalimeve kuantike të molekulave nga një nivel energjie në tjetrin (shih 28.9) dhe përbëhen nga një grup brezash pak a shumë të gjera, të cilat janë linja të ndara ngushtë. Kompleksiteti i spektrave molekularë në krahasim me ato atomike është për shkak të

një larmi e madhe lëvizjesh dhe, rrjedhimisht, kalimet e energjisë në molekulë.

Duke marrë parasysh (29.1) dhe (28.37), gjejmë frekuencën e emetuar ose të absorbuar nga molekula:

Spektrat molekularë bëjnë të mundur studimin jo vetëm të strukturës së molekulave, por edhe të natyrës së ndërveprimeve ndërmolekulare.

Spektrat e përthithjes (përthithjes) molekulare janë një burim i rëndësishëm informacioni rreth molekulave biologjikisht funksionale, ato përdoren gjerësisht në punimet moderne biokimike dhe biofizike.

Në shumë raste, këto spektra regjistrohen si të vazhdueshme, duke mos zgjidhur detajet që u përshkruan më sipër.

Kështu, për shembull, në Fig. 29.8 tregon spektrin e absorbimit të një pezullimi të eritrociteve. Spektri i përthithjes së lëkurës së njeriut është paraqitur në Fig. 29.9, në pjesën ultraviolet, shkalla e përthithjes është e lartë dhe lëkura thith rrezatimin në shtresat më të sipërme. Në rajonin e dukshëm, absorbimi zvogëlohet dhe mbetet pothuajse konstant deri në rajonin e kuq.

29.6. LLOJE TË NDRYSHME LUMINESCENCE

Lumineshenca quhet tepricë mbi rrezatimi termik i një trupi në një temperaturë të caktuar, e cila ka një kohëzgjatje që tejkalon ndjeshëm periudhën.(10 -15 s) lëshonte valë drite.

Shenja e kohëzgjatjes në këtë përkufizim u propozua nga S.I. Vavilov për të dalluar luminescencën nga disa fenomene të tjera të lumineshencës dytësore, si reflektimi dhe shpërndarja e dritës.

Në varësi të llojit të ngacmimit, dallohen disa lloje të lumineshencës.

Shkëlqimi i shkaktuar nga grimcat e ngarkuara: jonet - io-nolumineshenca, elektronet - katodolumineshencë, rrezatimi bërthamor - radiolumineshencë. Lumineshenca nën ndikimin e rrezeve X dhe rrezatimit γ quhet luminescencë e rrezeve X, fotonet - fotolumineshencë (shih 29.7). Kur fërkoni, shtypni ose ndani disa kristale, tribolumineshencë. I ngacmuar nga një fushë elektrike elektrolumineshencë, një rast i veçantë i të cilit është shkëlqimi i një shkarkimi gazi. Lumineshenca që shoqëron një reaksion kimik ekzotermik quhet kimilumineshencë (shih 29.8).

Fotolumineshenca, nganjëherë e referuar thjesht si luminescencë, ndahet në fluoreshencë (shkëlqim i shkurtër pas) dhe fosforeshencë (afrim relativisht i gjatë).

Akti fillestar i çdo fotolumineshence është ngacmimi i një fotoni me energji hv atom ose molekulë. Në rastin më të thjeshtë, i cili zakonisht realizohet në avujt dhe gazrat monoatomikë, atomi kthehet në gjendjen bazë, duke emetuar një foton drite me të njëjtën frekuencë ν (Fig. 29.10). Ky fenomen quhet fluoreshencë rezonante (shpërndarje rezonante). Eksperimentet speciale kanë treguar se çfarë është drita

29.7. FOTOLUMINESCENCA

Emetimi ndodh afërsisht 10 -8 s pas ndriçimit të substancës dhe për këtë arsye nuk shpërndahet në kuptimin e zakonshëm të fjalës.

Kur në avujt ndriçues shtohen gazra të huaj (hidrogjen, oksigjen etj.), fluoreshenca rezonante zvogëlohet. Kjo për faktin se gjatë kohës që atomi është

në një gjendje të ngacmuar, ai mund të takojë një lloj tjetër molekule dhe t'i japë asaj energji. Në këtë rast, energjia kinetike e molekulës rritet, dhe atomi në mënyrë jo-rrezatuese kalon në gjendjen bazë.

Ka më shumë gjasa që nga gjendja e ngacmuar 3 (Fig. 29.11) molekula do të kalojë në mënyrë jorrezatuese në nivel 2, dhe më pas spontanisht me emetimin e një kuantike me energji hv" në nivel 1.

Në molekulat organike komplekse, ndodh një kalim nga një gjendje e ngacmuar 3 në disa të ndërmjetme, metastabile 4, kalimi nga i cili në gjendjen bazë nuk ka gjasa (Fig. 29.12). Për shkak të energjisë molekulare-kinetike të grimcave përreth ose për shkak të një sasie të re drite, kalimi i molekulës në një nivel të ngacmuar është i mundur. 2, dhe prej tij në gjendjen bazë 1. Ky është një nga mekanizmat e fosforeshencës. Ngrohja rrit probabilitetin e largimit nga niveli metastabil dhe rrit fosforeshencën.

Për fotolumineshencën, në thelb është e vërtetë Ligji i Stokes: spektri i lumineshencës zhvendoset drejt gjatësive të valëve të gjata në raport me spektrin që shkaktoi këtë fotolumineshencë (Fig. 29.13).

Në fakt, siç mund të shihet nga Fig. 29.10, energjia hv "e fotonit të emetuar nuk është më e madhe se energjia hv e fotonit të përthithur:

prej nga λ "\u003e λ. Ka devijime nga ligji i Stokes - luminescenca anti-Stokes. Kjo është veçanërisht e dukshme kur fotolumineshenca ngacmohet nga një vijë e veçantë spektrale, d.m.th. drita monokromatike (Fig. 29.14). Rrezatimi anti-Stokes ndodh kur një grimca është e ngacmuar që ishte tashmë në një gjendje të ngacmuar (Fig. 29.15, niveli 3). 2 në kryesore 1 emetohet energji hv". Siç shihet nga figura:

Një numër i molekulave biologjikisht funksionale, të tilla si molekulat e proteinave, shfaqin fluoreshencë. Parametrat e fluoreshencës janë të ndjeshëm ndaj strukturës së mjedisit të molekulës fluoreshente; prandaj, luminescenca mund të përdoret për të studiuar transformimet kimike dhe ndërveprimet ndërmolekulare.

Në dekadat e fundit, molekula speciale fluoreshente të shtuara në sistemet e membranës nga jashtë janë përdorur gjerësisht. Molekula të tilla quhen sonda fluoreshente (lidhje jo kovalente me membranën) ose etiketa fluoreshente (lidhje kimike).

Ndryshimi i fluoreshencës së sondave dhe etiketave bën të mundur zbulimin e rirregullimeve konformacionale në proteina dhe membrana.

Konsideroni disa aplikime të fotolumineshencës për qëllime mjekësore.

Analiza lumineshente, e bazuar në vëzhgimin e ndriçimit të objekteve për t'i studiuar ato, përdoret për të zbuluar fazën fillestare të prishjes së ushqimit, për të renditur përgatitjet farmakologjike dhe për të diagnostikuar disa sëmundje. Pra, flokët dhe luspat e prekur nga kërpudhat nën dritën ultravjollcë japin një shkëlqim lumineshent të gjelbër të ndezur. Përshkueshmëria e kapilarëve të lëkurës mund të përcaktohet duke injektuar ngjyra fluoreshente në mënyrë nënlëkurore.

Në kushte të favorshme, analiza lumineshente bën të mundur zbulimin e substancave lumineshente me peshë deri në 10 -10 g.

Analiza lumineshente e objekteve mikroskopike kryhet duke përdorur mikroskopë të veçantë ndriçues, të cilët, ndryshe nga burimet konvencionale të dritës, zakonisht përdorin llamba merkuri me presion të lartë dhe ultra të lartë dhe përdorin dy filtra drite. Njëri prej tyre, i vendosur përpara kondensatorit

pjellë, nxjerr në pah rajonin e spektrit të burimit të dritës, i cili shkakton ndriçimin e objektit; tjetra, e vendosur midis thjerrëzës dhe okularit, lëshon dritë lumineshence. Në bazë të fotolumineshencës, janë krijuar burime drite, spektri i të cilave është më në përputhje me dritën e ditës sesa ai i llambave inkandeshente. Kjo është e rëndësishme për qëllime industriale dhe higjienike. Në llamba të tilla fluoreshente, të quajtura llamba fluoreshente, ndodh një shkarkesë elektrike në avujt e merkurit në presion të ulët (elektrolumineshencë). Në sipërfaqen e brendshme të llambës, prej xhami të zakonshëm (Fig. 29.16), depozitohet një shtresë e hollë fosfori, e cila fotolumineshon nën ndikimin e rrezatimit nga avujt e merkurit.

Duke ndryshuar përbërjen e fosforit, mund të zgjidhni spektrin më të përshtatshëm të fotolumineshencës. Në fig. 29.17 tregon një nga spektrat e mundshëm, linjat intensive korrespondojnë me spektrin e avujve, rrezatimi i të cilit kalon pjesërisht përmes fosforit.

29.8. KIMILUMINESCENCA

Luminescenca që shoqëron reaksionet kimike quhet kimilumineshencë.

Ai emetohet ose drejtpërdrejt nga produktet e reaksionit, ose nga përbërës të tjerë që ngacmohen si rezultat i transferimit të energjisë tek ata nga produktet e reaksionit.

Shkëlqimi i kimilumineshencës, d.m.th. numri i kuanteve të emetuara për njësi të kohës rritet me një rritje të shpejtësisë së reagimit dhe efikasitetit të kimilumineshencës - numri mesatar i kuanteve për një akt reaksioni. Kimilumineshenca mund të përdoret për të përcaktuar përbërjen e një lënde (analizë kimilumineshente).

Një manifestim i veçantë i kimilumineshencës - një shkëlqim që shoqëron reaksionet kimike të objekteve biologjike - quhet biohe-

milumineshencë.Rrezatimi i fishekzjarreve të kalbura - shembuj të biokimilumineshencës (biolumineshencës).

Midis biofizikanëve, bioluminescenca me intensitet të ulët quhet dritë super e ulët, ajo u studiua në mënyrë aktive nga një numër shkencëtarësh, në veçanti Yu.A. Vladimirov.

U tregua se në sistemet biologjike kemilumineshenca ndodh gjatë rikombinimit të radikaleve të lira të peroksidit të lipideve: RO 2 + RO 2 - produkt i ngacmuar - produkt + + kuantike e kimilumineshencës.

Intensiteti i kimilumineshencës rritet ndjeshëm kur shtohen sistemet biologjike në studim, për shembull, kripërat e hekurit. Në fig. 29.18 tregon një rritje të intensitetit të lumineshencës në pezullimin e mitokondrive në kohën e futjes së hekurit me ngjyra. Nëse një eksperiment i ngjashëm bëhet me plazmën e gjakut në rast të apendicitit purulent ose kolecistitit, atëherë mund të vërehet se shkëlqimi në rastin e parë është shumë më i dobët. Kështu, kimilumineshenca mund të përdoret si një metodë diagnostike.

29.9. PROCESET FOTOBILOGJIKE

Proceset fotobiologjike quhen procese që fillojnë me thithjen e kuanteve të dritës nga molekulat biologjikisht funksionale dhe përfundojnë me një reaksion fiziologjik përkatës në trup ose në inde.

Një karakteristikë e rëndësishme e efektit të dritës në rrjedhën e proceseve biologjike është spektri i veprimit fotobiologjik - varësia e efektit fotobiologjik nga gjatësia valore e dritës vepruese. Spektrat e veprimit bëjnë të mundur përcaktimin se cili rajon i spektrit shkakton më efektivisht një proces biologjik, si dhe zbulimin e mekanizmit të një efekti të tillë.

Mjeku ka nevojë për një kuptim të këtyre proceseve në mënyrë që të shpjegojë mekanizmin e shikimit (shih 29.10) dhe të vlerësojë efektet e ndryshme të rrezatimit UV (shih 27.7).

Pasi ka thithur një sasi drite (shih 29.2), molekula ngacmohet. Energjia e ngacmimit mund të transferohet në molekula të tjera. Për një proces fotobiologjik, është thelbësore që si rezultat i një ngacmimi të tillë, të ndodhë një transformim kimik (reaksion fotokimik). Pas aktit parësor fotokimik, reaksionet zhvillohen në atë mënyrë që prania e dritës nuk është e nevojshme (reaksionet e errëta), në fund ato çojnë në reagimin e sistemit biologjik ndaj dritës.

Le të shqyrtojmë në mënyrë sasiore fazat fillestare të këtij procesi: thithjen e dritës dhe reaksionin parësor fotokimik.

Ngjashëm me 29.2, ne prezantojmë konceptin e seksionit kryq të absorbimit efektiv të një molekule fotoni σ. Dallimi nga derivimi i ligjit Bouguer-Lambert-Beer është të paktën si vijon: së pari, do të kemi parasysh uljen e numrit të molekulave të aktivizuara, pasi ekspozimi ndaj dritës shkakton transformimin e tyre; së dyti, merrni parasysh një shtresë mjaft të hollë të një solucioni të holluar, kjo do të na lejojë të lexojmë intensitetin e dritës Unë 0 konstante dhe e njëjtë në të gjithë tretësirën.

Ulja elementare në përqendrimin dn të molekulave nën veprimin e dritës është proporcionale me:

Përqendrimet n molekula;

Seksioni kryq i absorbimit efektiv σ;

Koha e rrezatimit dt;

Numri i fotoneve që për njësi të kohës kalojnë nëpër 1 m 2 të faqes së qelizës (I 0):

Këtu I 0 t = D0- doza e rrezatimit, dhe σφ χ = σ χ - zona e seksionit kryq të molekulës për transformimin fotokimik, është proporcionale me probabilitetin e një ndërveprimi të tillë të një fotoni me një molekulë, si rezultat i së cilës do të ndodhë një reaksion fotokimik .

Për të gjetur φ χ, vizatoni varësinë ln (" 0 / n t) = f(D0) dhe përgjatë shpatit të vijës së drejtë [shih (29.24)] përcaktojnë këtë vlerë (Fig. 29.19).

Në fotokimi, varësia σ χ (λ) quhet spektër i veprimit. Kjo marrëdhënie mund të gjendet duke përdorur marrëdhënien σ χ = σφχ . Çështja është se kuantike

Rendimenti total i reaksioneve fotokimike në tretësirë ​​nuk varet nga gjatësia e valës së dritës që vepron (φ χ = konst). Fizikisht, kjo do të thotë që pavarësisht nga energjia e ngacmimit hv, molekula do të ngacmohet (shih 28.9) dhe do të jetë në gjendje të fillojë një transformim fotokimik. Duke marrë parasysh këtë, mund të konkludojmë se spektri i veprimit σ χ (λ) dhe spektri i përthithjes (shih 29.2) - varësia σ (λ) - kanë të njëjtën formë, pasi ato ndryshojnë vetëm nga një faktor konstant φ χ . Të tillë

Kjo veçori bën të mundur, duke krahasuar spektrin e veprimit fotobiologjik me spektrin e absorbimit të përbërjeve të ndryshme biokimike, të përcaktojë mekanizmin e veprimit të dritës dhe në veçanti të rrezatimit UV.

Kështu, për shembull, u zbulua se kurba e vdekjes bakteriale nën veprimin e rrezatimit UV (spektri i veprimit fotobiologjik) është i ngjashëm me spektrin e absorbimit të acideve nukleike. Kjo dha bazë për të konkluduar se vdekja e baktereve është për shkak të dëmtimit të acideve nukleike.

Në 26.4, u morën parasysh tiparet e pjesës së syrit që përcjell dritë. Perceptimi i dritës nga syri është një proces fotobiologjik, prandaj, këtu merret parasysh mekanizmi i funksionimit të aparatit të perceptimit të dritës.

29.10. THEMELE BIOFIZIKE TË PREJTJES VIZUALE

Qelizat vizuale të ndjeshme ndaj dritës - shufrat dhe konet - luajnë role të ndryshme në ngacmimin e ndjesisë së dritës. Shufrat janë më të ndjeshëm ndaj dritës, por nuk i dallojnë ngjyrat. Koni dallon ngjyrat; përveç kësaj, me ndriçim të mjaftueshëm të objektit, ato janë të ndjeshme ndaj perceptimit të detajeve të imazhit, kështu që rezolucioni i syrit është për shkak të vendosjes së konëve në retinë (shih 26.4).

Shufrat i përkasin aparatit të muzgut dhe vizionit akromatik, dhe konet - dita dhe ngjyra.

Shqyrtoni fillimisht disa pyetje të përgjithshme në lidhje me ndjeshmërinë e syrit ndaj dritës dhe ngjyrës.

Ndjeshmëria ndaj dritës e syrit është reciproke e shkëlqimit të pragut, d.m.th. ndriçimi minimal që prodhon një ndjesi vizuale në kushte të caktuara shikimi.

Ndjeshmëria ndaj dritës e syrit ndryshon në një gamë të gjerë për shkak të pamjes adaptim- aftësia e syrit për t'u përshtatur me shkëlqime të ndryshme. Përshtatja kryhet në mënyrat e mëposhtme:

1) duke ndryshuar diametrin e nxënësit në rangun nga 2 në 8 mm, gjë që ndryshon fluksin e dritës me 16 herë;

2) një rënie në përqendrimin e substancës fotosensitive të pazbërthyer;

3) mbrojtja e koneve dhe shufrave me një pigment të errët të vendosur në koroid dhe të aftë për të lëvizur drejt trupit qelqor në procesin e përshtatjes;

4) një ndryshim në shkallën e pjesëmarrjes së shufrave dhe konëve në ngacmimin e ndjesisë së dritës, në varësi të shkëlqimit të objektit.

Përshtatja lejon që syri të funksionojë normalisht në intervalin e ndriçimit nga 10 -7 në 10 5 cd/m 2 . Kufiri i poshtëm, ose pragu absolut i ndjeshmërisë ndaj dritës së syrit me përshtatje të plotë të errët, është rreth njëqind fotone në sekondë. Nga këto, vetëm rreth 10% absorbohen nga molekulat vizuale të pigmentit në shufrat e retinës, dhe pjesa tjetër reflektohet nga kornea, absorbohet nga media optike e syrit, ose kalojnë nëpër retinë dhe përthithen në qelizat e syrit. epitelit të pigmentit. Prania e epitelit të pigmentit në themel të retinës redukton ndjeshëm reflektimin dhe shpërndarjen e dritës nga muri i pasmë i syrit. Syri i njeriut i përgjigjet valëve elektromagnetike me një gjatësi vale prej përafërsisht 400 deri në 760 nm. Ndjeshmëria spektrale e syrit karakterizohet nga dukshmëria e rrezatimit:

Maksimumi i kurbës së dukshmërisë së shikimit gjatë ditës korrespondon me maksimumin e rrezatimit diellor që ka kaluar nëpër atmosferë dhe ka goditur sipërfaqen e Tokës (shih 27.4), kjo tregon përshtatshmërinë e organizimit të syrit të njeriut.

Shufra përbëhet (Fig. 29.21) nga një segment i jashtëm i ndjeshëm ndaj dritës 1 dhe segmentin e brendshëm 2, që përmbajnë bërthamën dhe mitokondritë, të cilat sigurojnë funksionimin e qelizës. Brenda segmentit të jashtëm janë disqe të hollë 3 rreth 6 μm në diametër. Çdo disk përbëhet nga një membranë dyshtresore dhe ka formën e një liposomi të rrafshuar (shih 13.1). Një pigment vizual është ndërtuar në disqet vizuale.

ment - rodopsinë. Numri i disqeve në një qelizë matet në disa qindra. Nga segmenti i brendshëm ka një lidhje me fibrën nervore.

Rodopsina është një proteinë komplekse me një peshë molekulare rreth 40 000. Diametri i molekulës së saj është 4 nm, nëse forma e saj merret si sferike.

Rodopsina përbëhet nga proteina opsin dhe grupi kromofor - retina.

Retina, në përgjithësi, mund të ketë disa izomerë hapësinorë, por vetëm P-cisretinali lidhet me opsin (Fig. 29.22). Nën veprimin e dritës, retina ndahet nga rodopsina dhe kalon në konformacionin më të qëndrueshëm të izomerit të vazhdueshëm trans.

Si rezultat i ndryshimeve në strukturën e retinës, ndodhin ndryshime në membranën e diskut të shoqëruar me një ndryshim në pozicionin e rodopsinës. Rodopsina kalon nga sipërfaqja hidrofile ndërdiskale në fazën e brendshme xhirofobike të membranës.

Nëse në errësirë ​​membrana e diskut është e papërshkueshme nga Na+, K+, Ca 2+, etj., atëherë si rezultat i ndriçimit, ndryshimi konformativ në rodopsinë çon në një ndryshim në gjendjen e membranës: përshkueshmëria për disa jone rritet. . Në këto procese, funksioni i rodopsinës është që, nën veprimin e dritës, nxit formimin e poreve në disqe për disa jone dhe mbyll kanalet në membranën e jashtme për jonet e natriumit. Kjo çon në shfaqjen e potencialeve që shkaktojnë një impuls nervor. Një tipar i segmenteve të jashtme të shufrave të retinës është se në errësirë ​​potenciali ka një natyrë natriumi, në kontrast me potencialin e qelizave të tjera (shih 13.7). Si rezultat i një ndryshimi në strukturën e rodopsinës nën veprimin e dritës, përshkueshmëria e membranave për natrium zvogëlohet ndjeshëm, dhe për jonet e tjera jo.

po ndryshon. Në këtë rast, përshkueshmëria për kaliumin vjen e para, potenciali bëhet i një natyre kaliumi dhe polariteti i tij ndryshon. Kjo çon në faktin se, ndryshe nga të gjitha qelizat e tjera të njohura, në membranën citoplazmike të segmenteve të jashtme të shufrave, potenciali ka një shenjë plus brenda dhe një shenjë minus jashtë.

Pigmenti i konit gjithashtu përmban P-cisretinal, si rodopsina, por pjesa proteinike e pigmentit është e ndryshme, kështu që pigmentet e konit quhen jodopsina.

Matja e spektrit të absorbimit të varieteteve individuale të konëve tregoi se çdo kon përmban një lloj të caktuar të jodo-psinës. Jodopsinat e konit të njeriut kanë maksimum përthithjeje në 445, 535 dhe 570 nm (Fig. 29.23). Ky informacion bazohet në teorinë me tre komponentë të vizionit të ngjyrave. Në disa sëmundje gjenetike, sinteza e proteinave të jodopsinës prishet dhe syri nuk është në gjendje të dallojë ngjyrën e kuqe dhe jeshile (verbëria e ngjyrave).

§ 6 Absorbimi.

Spontane dhe emetim i stimuluar

Në kushte normale (në mungesë të ndikimeve të jashtme), shumica e elektroneve në atome janë në nivelin më të ulët të pangacmuar E 1, d.m.th. një atom ka një furnizim minimal të energjisë së brendshme, nivelet e mbetura E 2 , E 3 ....E n që korrespondojnë me gjendjet e ngacmuara, kanë një popullsi minimale elektronesh ose janë fare të lirë. Nëse atomi është në gjendjen bazë me E 1 , pastaj nën veprimin e rrezatimit të jashtëm, një kalim i detyruar në një gjendje të ngacmuar me E 2. Probabiliteti i kalimeve të tilla është proporcional me densitetin e rrezatimit që shkakton këto tranzicione.

Një atom, duke qenë në një gjendje të ngacmuar 2, mundet, pas njëfarë kohe, spontanisht (pa ndikime të jashtme) të kalojë në një gjendje me një energji më të ulët, duke lëshuar energji të tepërt në formë rrezatimi elektromagnetik, d.m.th. duke emetuar një foton.

Procesi i emetimit të një fotoni nga një atom i ngacmuar pa asnjë ndikim të jashtëm quhet emetim spontan (spontan). Sa më i madh të jetë probabiliteti i tranzicioneve spontane, aq më e shkurtër është jetëgjatësia mesatare e një atomi në një gjendje të ngacmuar. Sepse Pra, tranzicionet spontane nuk kanë lidhje reciproke emetimi spontan nuk është koherent.

Nëse një atom në gjendje të ngacmuar 2 është i ekspozuar ndaj rrezatimit të jashtëm me një frekuencë të kënaqshmehn = E 2 - E 1 , atëherë ka një kalim të detyruar (të induktuar) në gjendjen bazë 1 me emetimin e një fotoni me të njëjtën energjihn = E 2 - E një. Në një tranzicion të tillë, ndodh rrezatimi nga një atom shtesë te fotoni nën të cilin ndodhi kalimi. Rrezatimi që rezulton nga ekspozimi i jashtëm quhet i detyruar. Kështu, në procesi emetim i stimuluar përfshihen dy fotone: një foton primar që shkakton emetimin e rrezatimit nga atomi i ngacmuar dhe një foton dytësor i emetuar nga atomi. Fotonet dytësore i padallueshëm nga fillore.

Ajnshtajni dhe Diraku vërtetuan se emetimi i stimuluar është identik me emetimin stimulues: ata kanë të njëjtën fazë, frekuencë, polarizimin dhe drejtimin e përhapjes.Þ Emetimi i stimuluar rreptësisht koherente me emetim të detyruar.

Fotonet e emetuara, duke lëvizur në një drejtim dhe duke takuar atome të tjera të ngacmuara, stimulojnë tranzicione të mëtejshme të nxitura dhe numri i fotoneve rritet si një ortek. Megjithatë, së bashku me emetimin e stimuluar, do të ndodhë thithja. Prandaj, për të përforcuar rrezatimin e rënë, është e nevojshme që numri i fotoneve në emetimet e stimuluara (që është në përpjesëtim me popullsinë e gjendjeve të ngacmuara) të kalojë numrin e fotoneve të përthithur. Në sistem, atomet janë në ekuilibër termodinamik, thithja do të mbizotërojë mbi emetimin e stimuluar, d.m.th. Rrezatimi i incidentit do të dobësohet ndërsa kalon nëpër materie.

Në mënyrë që mediumi të përforcojë incidentin e rrezatimit në të, është e nevojshme të krijohet gjendja jo ekuilibër e sistemit, në të cilën numri i atomeve në gjendjen e ngacmuar është më i madh se në gjendjen bazë. Gjendje të tilla quhen shtetet me përmbysja e popullsisë. Procesi i krijimit të një gjendje jo ekuilibri të materies quhet pompuar. Pompimi mund të bëhet me metoda optike, elektrike dhe metoda të tjera.

Në media me popullsi të përmbysur, emetimi i stimuluar mund të tejkalojë përthithjen, d.m.th. rrezatimi i rënë do të përforcohet kur kalon nëpër mjedis (këto media quhen aktive). Për këto media në ligjin e Bouguer-itI = I 0e- ax , koeficienti i përthithjes a - negative.

§ 7. Lazerët – gjeneratorë kuantikë optikë

Në fillim të viteve '60, u krijua një gjenerator kuantik i gamës optike - një lazer " Përforcimi i dritës nga emetimi i stimuluar i rrezatimit ” - amplifikimi i dritës nga emetimi i induktuar i rrezatimit. Karakteristikat e rrezatimit lazer: monokromatikitet i lartë (frekuencë jashtëzakonisht e lartë e dritës), orientim i mprehtë hapësinor, shkëlqim i madh spektral.

Sipas ligjeve të mekanikës kuantike, energjia e një elektroni në një atom nuk është arbitrare: mund të ketë vetëm një gamë të caktuar (diskrete) vlerash E 1, E 2, E 3 ... E n thirrur nivelet e energjisë. Këto vlera janë të ndryshme për atome të ndryshme. Grupi i vlerave të lejuara të energjisë quhet spektri i energjisë atom. Në kushte normale (në mungesë të ndikimeve të jashtme), shumica e elektroneve në atome janë në nivelin më të ulët të ngacmimit E 1, d.m.th. një atom ka një furnizim minimal të energjisë së brendshme; nivele të tjera E 2 , E 3 ..... E n korrespondojnë me energjinë më të lartë të atomit dhe quhen i emocionuar.

Gjatë kalimit të një elektroni nga një nivel energjie në tjetrin, një atom mund të emetojë ose thithë valë elektromagnetike, frekuenca e të cilave n m n \u003d (E m - E n) h,

ku h - Konstantja e Plankut ( h = 6,62 10 -34 J s);

E n - finale, E m - Niveli i parë.

Një atom i ngacmuar mund të heqë dorë nga një pjesë e energjisë së tepërt të tij, të marrë nga një burim i jashtëm ose të marrë prej tij si rezultat i lëvizjes termike të elektroneve, në dy mënyra të ndryshme.

Çdo gjendje e ngacmuar e një atomi është e paqëndrueshme dhe ekziston gjithmonë mundësia e kalimit të tij spontan në një gjendje më të ulët të energjisë me emetimin e një sasie rrezatimi elektromagnetik. Një tranzicion i tillë quhet spontane(spontane). Është i parregullt dhe kaotik. Të gjitha burimet e zakonshme prodhojnë dritë nga emetimi spontan.

Ky është mekanizmi i parë i emetimit (rrezatimit elektromagnetik). Në rishikuar skema me dy nivele emetimi i dritës, nuk mund të arrihet përforcim i rrezatimit. Energjia e përthithur h n lirohet si një kuant me të njëjtën energji h n dhe mund të flisni për ekuilibri termodinamik: proceset e ngacmimit të atomeve në një gaz balancohen gjithmonë nga proceset e kundërta të emetimit.

§2 Skema me tre nivele

Në atomet e një substance në ekuilibër termodinamik, çdo nivel pasues i ngacmuar përmban më pak elektrone se ai i mëparshmi. Nëse veprojmë në sistemin me rrezatim emocionues me një frekuencë që bie në rezonancë me kalimin midis niveleve 1 dhe 3 (skematikisht 1→ 3), atëherë atomet do të thithin këtë rrezatim dhe do të kalojnë nga niveli 1 në nivelin 3. Nëse intensiteti i rrezatimit është mjaftueshëm i lartë, atëherë numri i atomeve që kanë kaluar në nivelin 3 mund të jetë mjaft domethënës, dhe ne, pasi kemi shkelur ekuilibrin shpërndarja e popullatave të nivelit, do të rrisë popullsinë e nivelit 3 dhe për rrjedhojë do të zvogëlojë popullsinë e nivelit 1.

Nga niveli i tretë i sipërm, kalimet janë të mundshme 3→ 1 dhe 3 → 2. Doli që tranzicioni 3→ 1 çon në emetimin e energjisë E 3 -E 1 = h n 3-1 , dhe tranzicioni 3 → 2 nuk është rrezatues: ai çon në popullsinë "nga lart" të nivelit të ndërmjetëm 2 (një pjesë e energjisë së elektronit i jepet substancës gjatë këtij tranzicioni, duke e ngrohur atë). Ky nivel i dytë quhet metastabile, dhe si rezultat do të ketë më shumë atome në të sesa në të parën. Meqenëse atomet arrijnë në nivelin 2 nga niveli i tokës 1 përmes gjendjes së sipërme 3, dhe kthehen përsëri në nivelin e tokës me një "vonesë të madhe", atëherë niveli 1 "shterohet".

Si rezultat, ekziston përmbysja, ato. shpërndarja e kundërt e kundërt e popullatave të nivelit. Përmbysja e popullsisë së niveleve të energjisë krijohet nga një rrezatim ndihmës intensiv i quajtur rrezatimi i pompës dhe përfundimisht çon në i nxitur shumëzimi (i detyruar) i fotoneve në një mjedis të kundërt.

Ashtu si në çdo gjenerator, në një lazer, për të marrë mënyrën e gjenerimit, është e nevojshme Feedback. Në një lazer, reagimet zbatohen duke përdorur pasqyra. Mjeti amplifikues (aktiv) vendoset midis dy pasqyrave - të sheshta ose më shpesh konkave. Një pasqyrë është bërë e fortë, tjetra është pjesërisht transparente.

"Fara" për procesin e gjenerimit është emetimi spontan i një fotoni. Si rezultat i lëvizjes së këtij fotoni në mjedis, ai gjeneron një ortek fotonesh që fluturojnë në të njëjtin drejtim. Pasi të ketë arritur një pasqyrë të tejdukshme, orteku do të reflektohet pjesërisht, dhe pjesërisht do të kalojë përmes pasqyrës në pjesën e jashtme. Pas reflektimit nga pasqyra e djathtë, vala kthehet prapa, duke vazhduar të forcohet. Duke ecur në distancël, arrin në pasqyrën e majtë, reflektohet dhe përsëri nxiton në pasqyrën e djathtë.

Kushtet e tilla krijohen vetëm për valët boshtore. Kuantet e drejtimeve të tjera nuk janë në gjendje të marrin një pjesë të dukshme të energjisë së ruajtur në mjedisin aktiv.

Vala që del nga lazeri ka një front pothuajse të sheshtë dhe një shkallë të lartë koherence hapësinore dhe kohore në të gjithë seksionin kryq të rrezes.

Në lazer, gazra të ndryshëm dhe përzierje gazi përdoren si një medium aktiv ( lazer me gaz), kristale dhe gota me papastërti të joneve të caktuara ( lazer në gjendje të ngurtë), gjysmëpërçuesit ( lazer gjysmëpërçues).

Metodat e ngacmimit (në sistemin e pompimit) varen nga lloji i mediumit aktiv. Kjo është ose një metodë e transferimit të energjisë ngacmuese si rezultat i një përplasjeje të grimcave në një plazmë të shkarkimit të gazit (lazerët e gazit), ose transferimi i energjisë duke rrezatuar qendrat aktive me dritë jokoherente nga burime të veçanta (pompimi optik në lazerët e gjendjes së ngurtë), ose injektimi i bartësve jo ekuilibër përmes p- n - tranzicioni, ose ngacmimi nga një rreze elektronike, ose pompimi optik (lazerët gjysmëpërçues).

Aktualisht, janë krijuar një numër jashtëzakonisht i madh lazerësh të ndryshëm që prodhojnë rrezatim në një gamë të gjerë gjatësi vale (200¸ 2 10 4 nm). Laserët funksionojnë me impulse drite shumë të shkurtra. t » 1·10 -12 s gjithashtu mund të japin rrezatim të vazhdueshëm. Dendësia e fluksit të energjisë së rrezatimit lazer është rreth 10 10 W/cm 2 (intensiteti i Diellit është vetëm 7·10 3 W/cm 2).

Deri më tani, neutrinoja ka qenë shumë e ngjashme me fotonin. Ashtu si një foton, një neutrino është e pa ngarkuar, nuk ka masë dhe udhëton gjithmonë me shpejtësinë e dritës. Të dy grimcat kanë rrotullim. Spin-i i fotonit është +1 ose -1, ndërsa rrotullimi i neutrinos është +1/2 ose -1/2 (ndryshimi nuk është shumë i rëndësishëm). Megjithatë, ka një ndryshim interesant dhe madje befasues midis tyre, të cilin arsyetimi i mëposhtëm do të na ndihmojë ta kuptojmë.

Le të gjurmojmë dy ngjarje të kundërta në kohë. Lëreni personin që mban topin ta hedhë, të themi, në jug. Nëse topi i afrohet personit, duke lëvizur në drejtim të kundërt, personi ngre dorën dhe e kap atë. Në rastin e parë, sekuenca e ngjarjeve ishte: 1) personi po mban topin, 2) personi po e hedh topin, 3) topi fluturon në jug. Lëvizja e kthyer në kohë kishte një sekuencë të ndryshme ngjarjesh: 1) topi fluturon në veri, 2) personi e kap topin, 3) personi e mban topin. E gjithë kjo të kujton shumë një film, i cili fillimisht rrotullohet në një drejtim, dhe më pas në drejtim të kundërt.

Le të përpiqemi ta transferojmë këtë parim në botën nënatomike.Nëse një elektron në një atom ndryshon nga një gjendje e ngacmuar në një gjendje më pak të ngacmuar, ai lëshon një foton të dritës së dukshme, gjatësia e valës së së cilës varet nga diferenca e energjisë midis dy gjendjeve të ngacmuara. të atomit. I njëjti atom mund të thithë ose "kapë" një foton me të njëjtën gjatësi vale, dhe elektroni do të kalojë nga një gjendje më pak e ngacmuar në një gjendje më të ngacmuar. Çdo lloj atomi lëshon fotone me gjatësi vale të caktuara (në varësi të energjisë së gjendjeve të tij të ngacmuara) dhe, në kushtet e duhura, thith fotone me gjatësi vale saktësisht të njëjta.

Megjithatë, ndryshimi midis një ngjarjeje të drejtpërdrejtë dhe asaj të përmbysur nga koha nuk është vetëm një ndryshim në drejtim dhe sekuencë. Kapja e topit është më e vështirë se hedhja e tij. Duke hedhur topin, ju vendosni në lëvizje një objekt të palëvizshëm dhe gjithçka varet vetëm nga ju. Me kohën tuaj, ju mund të merrni më mirë topin, të synoni me kujdes, etj. Kur e kapni topin, duhet të përballeni me një objekt në lëvizje dhe nuk keni kohë për të mërzitur. Ndërsa topi afrohet, ai duhet të kapet shpejt, pasi topi do të mbetet brenda mundësive për një pjesë të sekondës. Në atë pjesë të sekondës, duhet të keni kohë të zgjasni krahun pikërisht në drejtim të topit dhe ta ndaloni atë. Nëse humbisni, topi do të fluturojë pranë.

E njëjta gjë ndodh me një atom që lëshon një foton. Një atom i tillë lëshon një foton në një kohë që, mesatarisht, është rreth 10 -8 sek. Rrjedhimisht, atomi, si të thuash, menaxhon kohën e vet dhe lëshon një foton kur është e përshtatshme për të.

Për të thithur të njëjtin foton, një atomi ka nevojë për 10 -8 sek, që është pasojë e natyrshme e kthyeshmërisë së ngjarjeve. Por një atom nuk mund të thithë një foton pa shumë probleme. Fotoni lëviz me shpejtësinë e dritës dhe nuk qëndron pranë atomit gjatë gjithë intervalit kohor 10 -8 sek. Për një periudhë të tillë kohore, një foton drite fluturon mesatarisht 300 cm. Disa fotone mund të udhëtojnë një distancë më të madhe, të tjerët më pak. Është e qartë pse zakonisht është shumë e vështirë për atomet të kapin fotone: në fund të fundit, madhësia e një atomi është shumë më e vogël se kjo distancë! (Në mënyrë të ngjashme, lojtarët e basketbollit e kanë të vështirë të kapin topa që shkojnë shumë shpejt.) Megjithatë, rastësisht, një atom mund të kapë dhe thithë një foton.

Të gjitha sa më sipër supozojnë se fotoni nuk ka dimensione të brendshme; edhe pse në fakt është mjaft i madh. Një foton tipik i dritës së dukshme ka një gjatësi vale prej rreth 1/20,000 cm. Në këtë gjatësi, rreth një mijë atome përshtaten në një rresht. Një foton i dritës së dukshme mund të mendohet si një lloj sfere, diametri i së cilës është një mijë herë më i madh se diametri i një atomi dhe vëllimi është 1.000.000.000 herë më i madh se vëllimi i një atomi. Në çdo moment, një foton drite bie në kontakt me rreth një miliard atome, njëri prej të cilëve arrin ta kapë dhe thithë atë.

Prandaj, thellësia në të cilën një foton depërton në materie para përthithjes nuk është 300 cm, dhe një miliard herë më pak, pra 3 10 -7 cm.

Në këtë distancë, jo më shumë se 10-15 atome përshtaten në një rresht. Kjo do të thotë që një foton drite para momentit të përthithjes depërton në substancë jo më thellë se 10-15 shtresa atomike. Një trashësi prej 10-15 atomesh është thjesht një gjë e vogël në peshore të zakonshme, kështu që shumica e lëndëve të ngurta, edhe në formën e filmave të hollë, janë të errët ndaj dritës (megjithëse fletë metalike prej ari mund të bëhet aq e hollë sa të bëhet transparente).

Sa më e shkurtër të jetë gjatësia e valës së dritës, sa më i vogël të jetë fotoni, aq më pak atome në kontakt me të në çdo kohë të caktuar dhe, për rrjedhojë, aq më gjatë udhëton nëpër materie përpara se të përthithet. Është për këtë arsye që drita ultravjollcë depërton në lëkurën e njeriut më thellë se drita e dukshme; rrezet x kalojnë lirshëm nëpër indet e buta të trupit dhe ndalohen vetëm nga substanca më e dendur e kockave; rrezet a? depërtojnë në materie të dendura për shumë centimetra. (Sigurisht, drita e dukshme përshkon një distancë të konsiderueshme në substanca të tilla si qelqi ose kuarci, për të mos përmendur shumicën e lëngjeve, por këto janë të gjitha konsiderata të veçanta.)

Le të përpiqemi tani të përdorim të gjitha sa më sipër në lidhje me neutrinot dhe antineutrinot. Le të shkruajmë edhe një herë reaksionin e zbërthimit të neutronit, i cili rezulton në formimin e një protoni, një elektroni dhe një antineutrinos:

P> p++ e -+ "?.

Le të supozojmë se, në kushte të përshtatshme, procesi i kundërt është i mundur, në të cilin një proton, duke kapur një elektron dhe një antineutrino, bëhet një neutron. Atëherë reagimi do të dukej kështu:

p++ e -+ "? > P.

Natyrisht, protoni duhet të kapë elektronin dhe antineutrinën në të njëjtën kohë, gjë që redukton shumë probabilitetin përfundim me sukses procesi. (Kjo është e barabartë me t'i kërkuar një basketbollisti të kapë dy topa në të njëjtën kohë me njërën dorë, duke fluturuar drejt tij nga drejtime të ndryshme.)

Për të thjeshtuar detyrën, ne ndryshojmë rendin e thirrjes. Çdo proces që thith një elektron mund të zëvendësohet nga një proces që prodhon një pozitron. (Një rregull i ngjashëm ekziston në algjebër: zbritja e -1 është e njëjtë me shtimin e +1.) Me fjalë të tjera, në vend që të thithë njëkohësisht një elektron dhe një antineutrino, një proton mund të thithë një antineutrino dhe të lëshojë një pozitron:

p++ "? > n + "e+.

Me këtë variant të reagimit, ligjet e ruajtjes janë të kënaqur. Meqenëse protoni zëvendësohet nga një neutron (të dy me numër barion +1) dhe antineutrinoja zëvendësohet nga një pozitron (të dy me numër lepton -1), ligjet e ruajtjes së numrit të barionit dhe leptonit janë të vlefshme.

Mbetet të merret parasysh probabiliteti i përthithjes së një antineutrine nga një proton. Gjysma e jetës së neutronit është 12.8 min, megjithëse neutronet individuale kërkojnë më shumë ose më pak se 12.8 për t'u zbërthyer min. Rrjedhimisht, për formimin e një neutroni kur një antineutrino kapet nga një proton dhe një pozitron emetohet, mesatarisht 12.8 min. Me fjalë të tjera, një antineutrino absorbohet nga një proton në një mesatare prej 12.8 min.

Por neutrinot udhëtojnë me shpejtësinë e dritës dhe në 12.8 min udhëton një distancë prej 2.3 10 8 km(d.m.th., një rrugë afërsisht e barabartë me distancën nga Dielli në Mars). Është e vështirë të besohet se një antineutrino mund të përshkojë një distancë kaq të madhe në lëndë të ngurtë përpara se të absorbohet, edhe nëse supozojmë se vëllimi i tij është i barabartë me atë të një fotoni. Por në fakt, antineutrinot janë shumë më të vogla se një atom.

Në realitet situata është shumë më e ndërlikuar.Në rastin e fotoneve, përthithja ndodh për shkak të elektroneve, të cilët zënë një pjesë të madhe të vëllimit të atomit dhe në një lëndë të ngurtë, atomet janë ngushtë ngjitur me njëri-tjetrin. Antineutrinot absorbohen nga protonet e vendosura në bërthamat atomike, të cilat zënë një pjesë të parëndësishme të atomit. Antineutrinot që fluturojnë nëpër të ngurta, shumë rrallë përplaset me një bërthamë të vogël. Vetëm për njëqind e miliontën e kohës që antineutrinoja ndodhet brenda atomit, është aq afër protonit sa ky i fundit mund ta kapë atë. Prandaj, në mënyrë që një antineutrino të ketë një shans të caktuar për t'u kapur nga një proton, ajo duhet të kalojë një rrugë në lëndë të ngurtë njëqind milion herë më e gjatë se 230,000,000 km. U zbulua se, mesatarisht, një antineutrino duhet të udhëtojë rreth 3500 vite dritë në plumb përpara se të absorbohet.

Natyrisht, askund në univers nuk ka një shtresë plumbi 3500 vite dritë të trashë. Universi përbëhet nga yje individualë, të shpërndarë jashtëzakonisht rrallë në hapësirë, dhe diametri i çdo ylli është shumë më i vogël se një e milionta. vit drite. Shumica e yjeve përbëhen nga lëndë shumë më pak e dendur se plumbi. Përjashtim është lënda superdendur e një bërthame yjore relativisht të vogël. (Ka edhe yje super të dendur në Univers, por ata janë shumë të vegjël - jo më shumë planetë.) Por edhe pjesët super të dendura të yjeve nuk mund të ndalojnë antineutrinot. Duke fluturuar nëpër Univers në çdo drejtim, antineutrinot kalojnë shumë rrallë përmes një ylli dhe akoma më rrallë përmes bërthamës së tij super të dendur. Trashësia totale e materies yjore përmes së cilës kalon antineutrinoja, duke fluturuar nga një skaj i universit të dukshëm në tjetrin, është shumë më pak se një vit drite.

Gjithçka që është thënë këtu për antineutrinot vlen, natyrisht, për neutrinot, dhe, për këtë arsye, mund të argumentohet se neutrinot dhe antineutrinot praktikisht nuk absorbohen. Pasi lindin në një proces nënatomik, ato janë gjithmonë në lëvizje dhe nuk i nënshtrohen asnjë ndryshimi dhe ndikimi nga gjithçka rreth tyre. Herë pas here ato përthithen, por numri i neutrinoteve të absorbuara është i papërfillshëm në krahasim me numrin e madh të atyre ekzistuese dhe atyre të sapodalura. Njohuritë moderne na lejojnë të themi me besim se praktikisht të gjitha neutrinot dhe antineutrinot që kanë lindur gjatë jetës së Universit ekzistojnë deri më sot.

Konkluzioni i mësipërm nuk ishte një lajm shumë i mirë. Pa marrë parasysh se sa një fizikant nxjerr domosdoshmërinë e ekzistencës së neutrinos dhe antineutrinos nga ligjet e ruajtjes, ai do të ishte vërtet i lumtur vetëm kur të zbulonte me të vërtetë grimca të vogla me vëzhgim të drejtpërdrejtë. Por për të demonstruar ekzistencën e tyre, ai së pari duhet të kapë të paktën një grimcë, domethënë ta bëjë atë të ndërveprojë me ndonjë grimcë tjetër në mënyrë që të zbulohet rezultati i këtij ndërveprimi. Dhe duke qenë se në fakt ishte e pamundur të kapeshin neutrinot ose antineutrinot, ekzistonte një dyshim serioz për realitetin e ekzistencës së tyre!

Si rezultat, fizikani shpëtoi të kuptuarit e tij për strukturën e universit, i cili ishte zhvilluar gjatë tre shekujve, duke këmbëngulur në ekzistencën e diçkaje që duhej marrë si e mirëqenë. Ai vërtetoi ekzistencën e neutrinos në bazë të teorive të tij dhe i shpëtoi teoritë e tij duke pohuar ekzistencën e neutrinos. doli " rrethi vicioz". Arsyet për dyshime dhe pasiguri mbetën. Ishte jashtëzakonisht e rëndësishme të zhvillohej një metodë për zbulimin e neutrinos ose antineutrinos, nëse ishte e mundur.

Një çarje në armaturën pothuajse të padepërtueshme të neutrinës së pakapshme ishte shpuar me fjalën "mesatare". Thashë se para se të absorbohet, një antineutrino kalon, mesatarisht, përmes një shtrese plumbi të ngurtë 3500 vite dritë të trashë. Por kjo është vetëm mesatare. Disa antineutrina mund të marrin një rrugë më të shkurtër, të tjerët një më të gjatë dhe vetëm disa do të shkojnë drejt përthithjes ose shumë të vogla ose shumë. distancë e madhe. Prandaj, është e nevojshme të përqendrohemi në fraksionin pafundësisht të vogël të antineutrineve që përthithen në një trashësi të tillë lënde (të themi, disa metra) që është e lehtë të krijohet në laborator. Në mënyrë që kjo përqindje infinite e vogël të përmbajë sa më shumë antineutrinos, është e nevojshme të kemi një burim shumë të fuqishëm të këtyre grimcave. Një burim kaq i fuqishëm i antineutrinos është reaktor bërthamor. Neutronet e tepërta të prodhuara në reaktor herët a vonë kalbet në protone, elektrone dhe antineutrino. Kur reaktori funksionon me kapacitet të plotë, një numër i madh antineutrinos prodhohen vazhdimisht. Në vitin 1953 grupi fizikantë amerikanë, të kryesuar nga Clyde Cowan dhe Frederick Reines, filluan eksperimentet mbi regjistrimin e antineutrinos. Ata përdorën një reaktor bërthamor në lumin Savannah, Karolina e Jugut, si një burim grimcash. Ky reaktor lëshonte rreth 10 18 antineutrinos çdo sekondë.

Oriz. 7. Zbulimi i antineutrinos.

Për një mori të tillë antineutrinash, ishte e nevojshme të krijohej një objektiv i pasur me protone. Objektivi më i thjeshtë natyror është uji. Çdo molekulë uji përbëhet nga dy atome hidrogjeni, bërthamat e të cilëve janë protonet, dhe një atom oksigjeni. Cowan dhe Reines përdorën pesë rezervuarë uji 1.9 m dhe gjerësia 1.4 m. Trashësia e rezervuarëve ishte e ndryshme (Fig. 7). Dy rezervuarë të hollë 7.6 të lartë cm u përdorën si objektiv. Tre tanke të tjerë lartësi 60 cm shërbeu si detektor. Tanket u vendosën në rendin e mëposhtëm: detektor - objektiv - detektor - objektiv - detektor. Uji në rezervuarët e synuar përmbante një sasi të vogël të klorurit të kadmiumit të tretur. Depozitat e detektorit përmbanin një zgjidhje të një scintilatori, një substancë që lëshon një pjesë të energjisë që merrte kur thith një grimcë nënatomike në formën e një shpërthimi të shkurtër drite. Një "sanduiç i dyfishtë" i tankeve ishte vendosur në rrugën e rrjedhës antineutrino nga reaktori. Ajo që mbetej ishte të priste. Nëse antineutrinot ekzistojnë vërtet, çdo njëzet minuta (mesatarisht) një prej tyre duhet të absorbohet nga një proton. Por tanket iu nënshtruan rrezatimit të vazhdueshëm kozmik nga hapësira ndërplanetare, të bombarduara nga grimcat e emetuara nga sasi të vogla të substancave radioaktive në ajër, Materiale ndërtimi, tokë. E gjithë vështirësia ishte të veçoje përthithjen e antineutrinos kundrejt gjithë këtij sfondi të ngjarjeve që ndodhën brenda rezervuarëve të ujit.

Në fillim, "zhurma" e padëshiruar subatomike pengoi zbulimin e përthithjes së antineutrinos. Gradualisht, u krijuan mbrojtje gjithnjë e më efektive për të hequr qafe rrezatimin dhe grimcat e padëshiruara. Sigurisht, asnjë mburojë, asnjë trashësi metali apo betoni nuk mund të ndalonte antineutrinot dhe në fund “zhurma” u ul në një nivel që nuk fshihej më nga “pëshpëritjet” e dobëta të antineutrineve shumë të rralla të kapur aksidentalisht nga protonet. Por kjo pëshpëritje nuk ishte identifikuar ende.

Kur një antineutrino absorbohet nga një proton, formohen një neutron dhe një pozitron - një kombinim i grimcave që dallohet lehtë. Sapo një pozitron formohet në një nga rezervuarët e synuar, ai ndërvepron me një elektron në më pak se një e milionta e sekondës dhe prodhohen dy fotone, secila prej të cilave ka një energji prej 0,51. MeV. Sipas ligjit të ruajtjes së momentit, dy fotone duhet të shpërndahen në drejtime saktësisht të kundërta: nëse njëri prej tyre nga rezervuari i synuar hyn në rezervuarin e sipërm të detektorit, atëherë tjetri duhet të bjerë në rezervuarin e poshtëm të detektorit. Një ndezje drite ndodh në çdo rezervuar zbulimi. Këto ndezje regjistrohen menjëherë automatikisht nga njëqind ose më shumë fotoshumësues të vendosur rreth rezervuarëve të ujit.

Por çfarë ndodh me neutronin? Zakonisht thjesht endet midis molekulave të ujit (të cilat shumë rrallë thithin një neutron), duke u përplasur me to derisa të prishet spontanisht pas një mesatare prej 12.8 min pas shfaqjes së tij. Megjithatë, nuk ka kuptim të presësh kaq gjatë, pasi prishja mund të ndodhë disa minuta më herët ose më vonë. Këtu vjen në shpëtim kloruri i kadmiumit në rezervuarin e synuar. Neutroni endet derisa përplaset me një atom kadmiumi, në të cilën pikë ai absorbohet pothuajse menjëherë. Kjo ndodh brenda disa milionta të sekondës pas asgjësimit të pozitronit - periudha është mjaft e shkurtër dhe megjithatë e mjaftueshme për të ndarë dy ngjarje në kohë: asgjësimin e pozitronit dhe thithjen e neutronit. Kur një neutron absorbohet nga një atom kadmiumi, lirohet energji, e cila lëshohet menjëherë në formën e tre ose katër fotoneve me një energji totale prej 9. Mev.

Pra, Cowen dhe Reines vëzhguan foton e mëposhtme: së pari, dy fotone me një energji prej 0.5 mev secila, të cilat u regjistruan nga dy fotoshumëzues në anët e kundërta të rezervuarëve të ujit, pastaj pas disa të miliontave të sekondës, prodhimi i njëkohshëm i tre fotoneve me një energji prej 3. mev secili (nganjëherë katër fotone me një energji prej 2.25 mev secili). Asnjë ndërveprim tjetër nënatomik nuk ka çuar në një sekuencë të tillë ngjarjesh. Dhe nëse ishte regjistruar vetëm një rrjedhë e tillë ngjarjesh, ishte e arsyeshme të konkludohej se protoni thith antineutrinon, prandaj, antineutrinoja ekziston me të vërtetë.

Por më pas një mendim tjetër lindi në mendjet e kujdesshme të eksperimentuesve. Po sikur një sekuencë e tillë ngjarjesh të shkaktohet jo nga një ndërveprim nënatomik, por nga dy?

Supozoni se në njëfarë mënyre u krijua një pozitron dhe pas disa miliontë të sekondës, një atom kadmiumi thithi një neutron që ekzistonte në mënyrë të pavarur nga pozitroni. Në këtë rast, shfaqja e dy dhe më pas e tre fotoneve do të ishte rezultat i jo një ndërveprimi (antineutrino me një proton), por dy ndërveprime krejtësisht të palidhura. Çfarë lloj ndërveprimi vëzhguan Cowan dhe Reines?

Eksperimentuesit e zgjidhën problemin duke bërë matjet e tyre fillimisht me reaktorin në punë dhe më pas me atë të fikur. Nëse reaktori fiket, zhurma do të veprojë në tanke dhe bombardimi i tyre me një rrymë antineutrinos do të ndalet. (Në fakt, ka gjithmonë antineutrino në hapësirën përreth, por numri i tyre është shumë më i vogël se numri i antineutrineve pranë reaktorit operativ.) Prandaj, kur reaktori ishte i fikur, rastësitë e dyfishta do të vazhdonin të regjistroheshin dhe thithja e antineutrinot do të ndalonin.

Doli se me reaktorin e fikur, 70 ngjarje në ditë regjistroheshin më pak se me reaktorin e ndezur. Kjo do të thotë se 70 antineutrina u absorbuan dhe u regjistruan në ditë (një në njëzet minuta). Rezultatet e eksperimentit mund të konsideroheshin prova të padyshimta dhe në vitin 1956 u raportua se, njëzet e pesë vjet pasi Pauli parashikoi për herë të parë ekzistencën e antineutrinos, një grimcë e tillë u regjistrua përfundimisht. Kjo ngjarje zakonisht quhet "zbulimi i neutrinos", megjithëse është zbuluar një antineutrino. Megjithatë, pasi “kapën” antineutrinon, fizikantët besojnë se ekzistenca e neutrinos është pa dyshim.

Spektrat e atomeve multielektronike

a . Ligji i ruajtjes së energjisë. Shprehet me rregullin e frekuencës Bora. (7.1)

Energjia e fotonit të emetuar (të përthithur) është e barabartë me ndryshimin midis energjive të atomit që emeton (thithës).

b . Ligji i ruajtjes së momentit . Ajo manifestohet në se një atom i lirë në rrezatim(thithjen)është duke u rimëkëmbur. Nëse marrim momentin e një atomi me masë m a para emetimit të një fotoni përtej zeros, atëherë në projeksionin në drejtimin e emetimit të një fotoni marrim barazinë:

. (7.2)

Shenja minus tregon se atomi "kërcen" në drejtim drejtim i kundërt lëvizja e fotonit. Kur një foton absorbohet, drejtimi i shpejtësisë së kthimit përkon me drejtimin e lëvizjes së fotonit . (7.3)

Shkalla e zmbrapsjes së atomeve gjatë emetimit të dritës në rrezet IR, të dukshme dhe UV është e ulët. Për shembull, një atom hidrogjeni që lëshon një foton të serisë vjollce Balmer Me l= 410 nm, merr shpejtësinë e kthimit v x = hçm a l = 6.6 10 -34 ç (0,001 ç 6 10 23) 410 10 -9 = 1m ç Me. Kjo është 1000 herë më pak se shpejtësia e lëvizjes termike të atomeve.

Për shkak të zmbrapsjes, një pjesë e energjisë së rrezatimit bartet nga atomi. Prandaj, duke marrë parasysh zmbrapsjen, ligji i ruajtjes së energjisë merr formën: . (7.4)

Energjia e kthimit të atomeve është shumë e vogël. Për atomin e hidrogjenit në shembullin e mësipërm, ai nuk kalon 10 -8 të energjisë së fotonit. Për shkak të zmbrapsjes së atomeve, energjia dhe frekuenca e fotoneve të emetuara zvogëlohet. Në rangun IR, të dukshëm dhe UV, efektet e lidhura me zmbrapsjen zakonisht neglizhohen për shkak të vogëlësisë së tyre. Dhe vetëm në rrezet X dhe gama - këto efekte bëhen të rëndësishme.

në . Ligji i ruajtjes së momentit këndor . Siç tregon përvoja, fotonet, si elektronet, kanë një moment mekanik të rrotullimit L S, që është dyfishi i momentit mekanik spin të elektronit. Në projeksion në drejtimin e lëvizjes, momenti këndor i rrotullimit të një fotoni mund të marrë dy vlera, ħ. (7.5)

Duke emetuar ose thithur një foton, një atom jo vetëm që jep ose merr energji, por gjithashtu ndryshon momentin e tij këndor me një vlerë të barabartë me momentin e fotonit. Ky ndryshim mund të ndodhë si për shkak të një ndryshimi në konfigurimin e resë elektronike (ndryshimet në momentin orbital të elektronit), ashtu edhe për shkak të një ndryshimi në orientimin e spinit të elektronit.

Në rastin e parë po flasim rreth ndryshimi i momentit mekanik orbital elektron nga vlera ħ , që korrespondon me një ndryshim në azimut numër kuantik l për njësi. Nga kjo fitojmë rregullën e përzgjedhjes (5.12), e cila shprehet kështu ligji i ruajtjes së momentit këndor.

Mënyra e dytë - riorientimi i spinit të elektronit edhe në madhësi ħ . Kjo rrugë është shumë e pamundur. Prandaj, tranzicionet që shkelin rregullin e përzgjedhjes D l = ± 1 në burimet e dritës tokësore praktikisht nuk zbatohen. Për shembull, kalimet e një atomi hidrogjeni të ngacmuar nga 2 s- në 1 s- gjendja mund të ndodhë vetëm në koronën diellore shumë të rrallë ose në atmosferat e yjeve. Atomet e ngacmuara këtu nuk përjetojnë përplasje për një kohë të gjatë. Prandaj, edhe kalime të tilla të pamundura realizohen në to.

2. Spektrat e metaleve alkaline më shumë se elementët e tjerë janë të ngjashëm me spektrin e hidrogjenit. Atomet e metaleve alkali janë një bërthamë qendrore simetrike me një guaskë gazi inert dhe një ngarkesë totale prej + e rreth të cilit lëviz një elektron.

Metalet alkaline përbëjnë nëngrupin kryesor të grupit të parë të tabelës Mendelejevi. Të gjitha periudhat fillojnë me to. Nga elementët e qëndrueshëm, ky është litium Li, Z= 3 (bërthama është një bërthamë me një shtresë heliumi, elektroni i sipërm në një atom të pangacmuar është 2 s- gjendje), natriumi Na, Z= 11 (bërthama është një bërthamë me një shtresë neoni, një elektron në 3 s- gjendje), kalium K , Z= 19 (bërthama është një bërthamë me një shtresë argon, një elektron në 4 s- gjendje), rubidium Rb, Z= 37 (bërthama është një bërthamë me një guaskë kripton, një elektron në 5 s- gjendje), Cs ceziumi, Z= 55 (bërthama është një bërthamë me një shtresë ksenoni, një elektron në 6 s- kusht).

Ekzistojnë disa seri në spektrat e metaleve alkali. Më të rëndësishmet prej tyre janë 4: kryesore, e mprehtë, difuze dhe kryesore. Në vitin 1900 Johannes Rydberg gjetur formë e përgjithshme formula serike për metalet alkaline. . (7.6)

Këtu n £ m- numri i niveleve të energjisë, a dhe b- korrigjime që kanë kuptime të ndryshme për metale të ndryshme dhe për seri të ndryshme.

Konsideroni, si shembull, spektrin e natriumit. Figura 44 tregon nivelet e energjisë në atomin e natriumit dhe skemat e tranzicioneve elektronike që formojnë serinë spektrale.

a . Seria kryesore . E quajtur kështu sepse ekziston jo vetëm në spektrat e emetimit, por edhe në spektrat e absorbimit. Korrespondon me serinë Lyman në spektrin e hidrogjenit. Për natriumin, përshkruhet me formulën ( m= 3,4,5,…¥):

. (7.7)

Në spektrin e emetimit, seria kryesore lind kur një elektron kalon nga fq– thuhet në 3 kryesore s- gjendje. Linja kryesore e kësaj serie (d.m.th., linja me gjatësinë maksimale të valës l, që korrespondon me vlerën minimale të numrit m= 3) - karakteristike e verdhë e ndritshme D- linjë natriumi me l=589 nm. Kjo është linja e vetme e kësaj serie në rangun e dukshëm. Formohet kur një elektron kalon nga 3 fq në 3 s- gjendje brenda një shtrese energjetike.

Rreshti tjetër në këtë seri është emetuar në tranzicionin 4 fq 3s. Gjatësia e valës së saj l=330nm është në intervalin UV. Gjatësia e valës së prerjes së serisë kryesore (linja në m = ¥) = 241 nm.

Për shkak të ndërveprimit spin-orbitë fq– nënniveli është i ndarë energjikisht në dysh. Prandaj, linjat spektrale të serisë kryesore janë dyshe. Për shembull, linja e kokës së serisë kryesore dyshe natriumi të verdhë përbëhet nga dy rreshta me l 1 = 589,6 nm dhe l 2 =589,0 nm.

Jo vetem fq- nënnivel, por edhe të tjera më të larta d, f– nënnivelet ndahen energjikisht në dy. Prandaj, ndarja e shumëfishtë në spektrat e metaleve alkali është e pranishme edhe në seri të tjera.

Studimi i spektrave të atomeve të shumëelektroneve tregoi se konstanta Rydberg R rritet disi me rritjen e numrit të elementeve. Pra, për hidrogjenin R H\u003d 1,09678 10 7 m -1, për natrium R Na\u003d 1,09735 10 7 m -1, dhe për atomet më të rënda R Z > 20 \u003d 1,09737 10 7 m -1. Rritje R ndodh kryesisht në fillim të tabelës periodike, dhe tashmë me klorin Cl ( Z= 17) lartësia R praktikisht i padukshëm.

b . i mprehtë (i mprehtë) seri ndodh vetëm në spektri i rrezatimit natriumi gjatë kalimit të një elektroni nga s- shtetet në fq- shteti (Fig. 44). Formula e mprehtë e serisë për natriumin është: , m=4, 5, 6,… (7.8)

Për shkak të ndarjes në dy komponentë fq– Linjat nënnivele të një serie të mprehtë përfaqësojnë gjithashtu dyshe. kokë dyshe seri ( m= 4) shtrihet në rajonin IR, l 1 = 1140 nm dhe l 2 = 1138 nm (tranzicioni 4 s 3fq). Dyshe tranzicioni 5 s 3fq 616 dhe 615 nm bie në diapazoni i dukshëm. Tranzicioni 6 s 3fq korrespondon me linjën 515 nm (ndarja e D l më pak se 1 nm). Kufizimi i gjatësisë valore të një serie të mprehtë = 408 nm. Prandaj, me përjashtim të linjës kryesore, e gjithë seria e mprehtë është në intervalin e dukshëm.

Siç nënkupton edhe emri, linjat e serive të mprehta janë në kontrast. Kjo shpjegohet me faktin se gjatë emetimit të kësaj serie kalojnë elektronet nga s- shtetet që nuk kanë ndarje të energjisë. Meqenëse elektronet godasin dy komponentë fq– nënniveli, atëherë energjia e fotoneve të emetuara në dyshe të një serie të mprehtë ka të njëjtin ndryshim h D n për të gjithë serinë. Diferenca e frekuencës D n ndërmjet komponentëve të dyshekut është konstante. E shprehur në gjatësi vale, diferenca D l zvogëlohet me shpejtësi kur lëviz drejt skajit vjollcë të serisë.

në . difuze (difuze) seri ekziston vetëm në spektrin e emetimit dhe lind gjatë kalimit të një elektroni në një 3 të dyfishtë fq- nënniveli gjithashtu nga mbivendosja e dyfishtë d- nënnivele (Fig. 44). Rregullat e përzgjedhjes lejojnë zbatimin e vetëm tre nga katër opsionet e tranzicionit. Prandaj, çdo rresht në seri është treshe. Distancat e energjisë ndërmjet komponentëve d– ka shumë më pak nënnivele në krahasim me distancën 3 fq– nënniveli. Për shkak të kësaj, në pajisjet spektrale me fuqi zgjidhëse të pamjaftueshme, përbërësit e treshe nuk zgjidhen, dhe i gjithë trefishi perceptohet si një linjë e paqartë (difuze). Formula e serisë difuze për natriumin është:

, m= 3, 4, 5,… (7.9)

Kryefjala e kësaj serie ( m= 3) ka gjatësi l= 818 nm dhe është në intervalin e afërt IR. Ai lëshohet gjatë kalimit të elektroneve 3 d 3fq brenda së njëjtës shtresë energjetike. Ndërsa numri rritet m linjat emetohen në diapazonin e dukshëm, l(m= 4) = 586 nm, l(m= 5) = 498 nm. Gjatësia e valës kufizuese, si në serinë e mprehtë, l(m= ¥) = 408 nm. Me përjashtim të linjave kryesore, të dy seritë - të mprehta dhe të përhapura - janë në rangun e dukshëm.

G . Kryesor (Themelore), themelore seria është quajtur kështu sepse formula e saj ka dallime minimale nga formula Balmer. Për natriumin

,m= 4,5,6,… (7.10)

Ndodh kur një elektron lëviz nga f– thuhet në 3 d- gjendje. Të gjitha linjat e kësaj serie janë në rangun IR. Titulli (4 f 3d) ka një gjatësi l= 1846 nm, më pas (5 f 3d) l= 1268 nm, vija kufitare ( m= ¥) l= 813 nm. Seria kryesore në spektrin e natriumit është shumë e ngjashme me serinë Pashen në spektrin e hidrogjenit (1875 - 820 nm).

Faktorët e korrigjimit a dhe b në formulat e serisë (7.6) zvogëlohet me rritjen e energjisë së niveleve. Po, niveli 3 s ka amendamentin 1.371, niveli 3 fq– amendamenti 0.881, niveli 3 d- korrigjimi 0,008. Nga kjo mund të konkludojmë se sa më i ulët të jetë niveli i energjisë në atom metal alkali, sa më afër guaskës së një gazi inert, aq më shumë deformohet fusha elektrike e bërthamës, aq më shumë ndryshon nga fusha e Kulonit të atomit të hidrogjenit. Prandaj, seria themelore është kaq e ngjashme me serinë Pashen në spektrin e atomit të hidrogjenit që nivelet d dhe f ndodhet larg bërthamës së atomit të metalit alkali.

3. Gjerësia natyrore e vijave spektrale. Emetimi i një fotoni në kushte normale ndodh kur spontane kalimi (spontan) i një atomi nga një gjendje e ngacmuar, domethënë energjikisht më e lartë, në një gjendje energjikisht më të ulët. Koha t, mbi të cilin numri i atomeve në një gjendje të caktuar të ngacmuar zvogëlohet në e herë, quhet jetëgjatësi gjendje e ngacmuar. Në shumicën e rasteve t»10 -8 10 -9 s. Dhe vetëm në metastabile gjendjet (jo normalisht jetëgjatë) kohë t ndoshta 10-1 s.

Mundësia e tranzicioneve spontane tregon se gjendjet e ngacmuara nuk mund të konsiderohen rreptësisht stacionare. Energjia e gjendjes së ngacmuar nuk është përcaktuar saktësisht. Nga lidhja e pasigurisë Heisenberg për energjinë dhe kohën (3.3) rezulton se pasiguria e energjisë D E atomi në gjendje të ngacmuar është në përpjesëtim të zhdrejtë me kohën t : ħ, . (7.11)

Pasiguria në energjinë e një atomi të ngacmuar çon në një përhapje të energjive të fotoneve të emetuara prej tij. . (7.12)

Le të kalojmë nga intervali i frekuencës D n në intervalin e gjatësisë valore D l. Sepse

, pastaj . (7.13)

Për seritë kryesore Balmer (l= 656.3 nm, t= 10 -8 s) kjo gjerësi është D l= 2,3 10 -5 nm. Pajisjet moderne spektrale bëjnë të mundur matjen e kësaj gjerësia natyrore vijat spektrale.

Nëse vizatoni varësinë e intensitetit të dritës nga një grafik I nga gjatësia e valës l, atëherë fitohet një kurbë simetrike në formë zile. Në figurën 45, një kurbë e tillë është paraqitur për vijën e kuqe të kadmiumit Cd me një gjatësi vale l= 643,8 nm. Ka shumë pak linja të tilla vërtet të thjeshta në një larmi të madhe spektrash. Edhe për ato linja që konsiderohen të thjeshta në skemën e strukturës së imët (ndërveprimi spin-orbital), shumëfishimi gjendet me rezolucion në rritje.

4. Struktura hiperfine e spektrit. Një shtesë e tillë strukturë hiperfine mund të ndodhë për dy arsye.

Së pari, për shkak të përbërjes së përzier izotopike të atomeve emetuese. Për shembull, hidrogjeni natyror përbëhet nga një përzierje e dy izotopeve - protia dhe deuterium- në një raport prej 5000: 1. Vijat spektrale të deuteriumit janë zhvendosur pak në rajonin e gjatësive valore më të shkurtra. Në një përzierje të zakonshme, linjat e deuteriumit janë të padukshme. Por nëse përqendrimi i deuteriumit në gaz rritet, atëherë çdo rresht, për shembull, në një seri Balmer, ndahet në dysh. Ky është shumëfishimi izotopik.

Së dyti, për shkak të pranisë së bërthama atomike momentet mekanike dhe magnetike. Momenti magnetik i bërthamave është afërsisht 1000 herë më i vogël se momenti magnetik orbital i elektroneve. Por, megjithatë, bashkëveprimi i momenteve spin-orbitale të elektroneve me momentin magnetik të bërthamës çon në shumëfishim, i cili regjistrohet nga pajisjet spektrale me rezolucion të lartë. Për shembull, vija e gjelbër e Hg merkurit me një gjatësi vale l= 546.0724 nm, përveç linjës kryesore, ka një strukturë hiperfine prej gjashtë linjash, -0.0236, -0.0102, -0.0069, l= 546,0724 nm, +0,0085, +0,0128, +0,0214 nm.

5. Zgjerimi doppler i vijave spektrale. Lëvizja përkthimore e atomeve rrezatuese, për shkak të lëvizjes së tyre termike, çon në një zgjerim shtesë të vijave spektrale.

Frekuenca e dritës së emetuar nga një atom që i afrohet marrësit për shkak të efektit Doppler disi më e madhe dhe e barabartë n 0+D n. Frekuenca e dritës nga një atom që largohet është pak më e vogël dhe e barabartë me n 0-D n. Këtu n 0 është frekuenca e dritës së emetuar nga një atom i palëvizshëm. Si rezultat, e njëjta linjë spektrale për shkak të lëvizje përpara atomet zgjerohen në brezin e frekuencës ( n 0+D n) – (n 0-D n) = 2D n.

Nga formula optike për efektin gjatësor Doppler(Optika, f. 28.10) rrjedh se

, ku. (7.14)

Prandaj, . (7.15)

Zgjerimi relativ i Doppler-it. (7.16)

Në temperaturën e dhomës, shkalla e lëvizjes termike të atomeve të hidrogjenit v= 2 10 3 m ç Me. Nga këtu.

Zgjerimi i Doppler-it shfaqet tashmë në shenjën 5-6 të frekuencës n ose gjatësi vale l. Pajisjet moderne spektrale bëjnë të mundur matjen n ose l deri në 7-8 karaktere. Prandaj, zgjerimi termik i linjave spektrale është një efekt i theksuar dhe shpesh i padëshirueshëm. Për ta eliminuar atë, është e nevojshme të aplikohen metoda të tilla të ngacmimit të atomeve që mund të realizohen në temperatura të ulëta. Për shembull, lumineshencë(shih §10).

6. Spektrat molekularë. Kombinimi i atomeve në një molekulë çon në faktin se, së bashku me energjinë e lëvizjes elektronike në atome, molekula, si një sistem kompleks, ka energji lëvizjet osciluese dhe rrotulluese(Fig. 46). Sipas madhësisë, hapat e energjisë kuantike janë rregulluar më shpesh si më poshtë: D E email > D E numëro >D E temp. Këtu D E– hapat e niveleve të energjisë elektronike në një atom.

Efekti më domethënës në spektrin e emetuar nga molekula ushtrohet nga lëvizje osciluese. Meqenëse energjia e lëvizjes vibruese intramolekulare është e kuantizuar, në çdo vëllim gazi ekzistojnë grupe molekulash me të njëjtat vlera të energjisë vibruese D. E koloni 1, D E koloni 2, D E koloni 3 etj. Si rezultat i të njëjtit kalim elektronik në atom grupe të ndryshme molekulat korrespondojnë me fotone me frekuenca të ndryshme n 1 , n 2 , n 3,… meqenëse gjatë emetimit të një fotoni, energjia e dridhjes së molekulës mund t'i shtohet energjisë së tranzicionit elektronik.

Nëse një substancë në gjendje atomike, për shembull, hidrogjeni H, lëshon një vijë me një frekuencë n, atëherë kjo linjë e emetuar nga një substancë në gjendje molekulare (H 2) ndahet në një sistem linjash në varësi të numrit të hapave të energjisë të dridhjeve molekulare.

Ndarja e vijave, përveç asaj vibruese, është edhe për shkak të lëvizje rrotulluese molekulat. Si rezultat, spektrat e emetimit të molekulave përmbajnë grupe me një numër i madh linjat - vija dhe prandaj quhen me vija (Fig. 47).

9.1. Operatori i ndërveprimit të sistemit ngarkesat elektrike me fushë elektromagnetike

Në elektrodinamikën klasike, energjia e bashkëveprimit të ngarkesave me një fushë elektromagnetike mund të shprehet si një produkt skalar i katër vektorëve të densitetit dhe potencialit të rrymës (9.1), dhe, duke marrë parasysh matësin e zgjedhur të Lorencit, në termat e një produkti skalar të vektorët tredimensionale të densitetit të rrymës dhe potencialit vektorial. Për analogji me shprehjen klasike, ne prezantojmë operatori i ndërveprimit me një fushë të jashtme, e cila shprehet qartë në termat e operatorëve të krijimit dhe asgjësimit (9.2). Operatori i ndërveprimit ndahet në një shumë të pafundme operatorësh të pavarur nga njëri-tjetri, që korrespondon me ndërveprimin me çdo mënyrë rrezatimi. Për çdo modalitet, ekziston një shumë e dy operatorëve që korrespondojnë me krijimin dhe asgjësimin e një fotoni. Produktet e gjendjeve të nënsistemeve që nuk ndërveprojnë (9.3) zgjidhen si gjendje të përafrimit zero. Në këto gjendje, elementët e matricës së krijimit dhe asgjësimit të një fotoni në secilën prej mënyrave kanë formën (9.4). Për të marrë formula për probabilitetin e një tranzicioni me emetim ose përthithje, duhet të përdoret metoda standarde e teorisë së shqetësimeve.

9.2. Teoria e shqetësimeve (rendit të parë)

Gjendja e sistemit në prani të ndërveprimit ndërmjet ngarkesave nga fusha mund të zgjerohet në terma të gjendjeve stacionare (9.3) të përafrimit zero (9.5). sistemi ishte në gjendjen |n> dhe nuk kishte asnjë ndërveprim midis nënsistemeve të tij (9.6). Zëvendësimi i zgjerimit (9.5) në ekuacionin jostacionar të Shrodingerit çon lehtësisht në sistem ekuacionet diferenciale për koeficientët e zgjerimit të varur nga koha (9.7), zgjidhja e të cilëve me kushtet fillestare (9.6) nuk është e vështirë në rastin e një shqetësimi të dobët, i cili shkakton vogëlsinë e të gjithë koeficientëve të varur nga koha, me përjashtim të amplitudës së duke qenë në gjendjen fillestare (9.8). Sipas Rregulla të përgjithshme Mekanika kuantike, probabiliteti i tranzicionit në një gjendje q dhënë nga katrori i modulit amplituda dhe rezulton të jetë proporcionale me kohën (9.9), gjë që na lejon të prezantojmë probabilitetin e tranzicionit për njësi të kohës (9.10). Në rastin e një gjendjeje përfundimtare me një spektër të vazhdueshëm, paraqitet probabiliteti i kalimit në një interval pafundësisht të vogël. dm (9.11).

9.3. Probabilitetet e tranzicionit me emetimin dhe thithjen e dritës

Në rastin e kalimeve ndërmjet gjendjeve të atomeve me emetim drite, gjendja përfundimtare i përket spektrit të vazhdueshëm, i cili korrespondon me një numër të pafund drejtimesh dhe frekuencash të fotonit të emetuar (9.12). Duke marrë parasysh shprehjen e marrë, probabiliteti i një kalimi me emetimin e një fotoni në një mënyrë të zgjedhur rezulton të jetë proporcionale me numrin e fotoneve tashmë të pranishme në këtë mënyrë (9.13) të rritur me 1. Dy termat që kanë lindur në këtë mënyrë (proporcionale me numrin e fotoneve të disponueshme dhe pavarësisht nga numri i fotoneve) zakonisht interpretohen si probabilitete. i detyruar dhe emetim spontan(9.14) Probabiliteti i një tranzicioni me përthithje ka një formë të ngjashme me (9.13), por nuk përmban një term që përshkruan procesin spontan (9.15).

Shprehjet që lidhen me probabilitetet e emetimit dhe përthithjes së fotoneve janë aq të rëndësishme për aplikime të shumta sa që duket e përshtatshme t'i shkruajmë ato si varësi nga sasitë më tradicionale për fizikën eksperimentale. Në vend të numrit të mbushjes (numri i fotoneve), është më i përshtatshëm të përdoret koncepti dendësia spektrale e intensitetit të rrezatimit në një modalitet të caktuar, i cili është një fluks energjie i rrezatimit elektromagnetik të një polarizimi të caktuar, që bie në një interval të caktuar të frekuencës infiniteminale dhe përhapet brenda një këndi të ngurtë pafundësisht të vogël (9.16). Është e qartë se vlera e hyrjes duhet të jetë proporcionale me produktin e energjisë së një fotoni dhe numrin e tyre dhe shpejtësinë e lëvizjes në hapësirë. Kur numëroni numrin e fotoneve, përqendrimi i tyre në modalitetin që korrespondon me drejtimin hapësinor të zgjedhur duhet të shumëzohet me densitetin përkatës të numrit të gjendjeve. Në ndryshim nga shprehja e shprehjes së dhënë më parë (7.12), ajo nuk merr parasysh të gjitha gjendjet e një energjie të caktuar, por vetëm ato që korrespondojnë me përhapjen e dritës së një polarizimi të caktuar në një drejtim të caktuar.

Zëvendësimi i numrit të fotoneve me densitetin spektral të intensitetit të rrezatimit bën të mundur marrjen e një shprehjeje të përshtatshme për aplikime për marrëdhënien midis probabiliteteve të emetimit dhe përthithjes së dritës (9.17).

9.3. Koeficientët e Ajnshtajnit

Në rastin e rrezatimit izotropik, një karakteristikë më e arsyeshme është dendësia spektrale Dendësia vëllimore e energjisë së rrezatimit(9.18), e cila përftohet nga dendësia spektrale e intensitetit si rezultat i integrimit mbi kënde dhe mbledhjes mbi polarizimet dhe, natyrisht, ndarjes me shpejtësinë e përhapjes së energjisë në hapësirë. Integrimi mbi kënde i shprehjeve për probabilitetet e rrezatimit (9.17) çon në lidhjen e njohur midis probabiliteteve totale (të përmbledhura mbi drejtimet dhe polarizimet) të tranzicioneve rrezatuese (9.19). Shprehja e mësipërme merr parasysh gjithashtu mundësinë e degjenerimit të niveleve atomike (dmth, praninë e gjendjeve të ndryshme me të njëjtën energji) duke paraqitur peshat e tyre statistikore g i .

Për shkak të faktit se probabilitetet e tranzicioneve të induktuara të rrezatimit janë proporcionale me intensitetin e rrezatimit, rezulton të jetë e përshtatshme t'i shkruajmë ato si produkt i intensiteteve sipas koeficientëve (9.20) të pavarur nga numri i fotoneve. Sasitë e futura në këtë mënyrë quhen Koeficientët e Ajnshtajnit. Lidhja (9.19) nënkupton një lidhje të dukshme ndërmjet këtyre koeficientëve (9.21). Është interesante të theksohet se klasikja (jorelativiste) Mekanika kuantike rezultoi i paaftë për të shpjeguar në mënyrë të qëndrueshme natyrën e rrezatimit spontan. Në kuadrin e kësaj teorie, shprehja për koeficientin e Ajnshtajnit për kalimet spontane u prezantua fenomenologjikisht, bazuar në kërkesën që ekuilibri termodinamik midis rrezatimit dhe materies të jetë i mundur.

9.4. Rrezatimi i ekuilibrit

Marrëdhënia e vendosur midis probabiliteteve të emetimit spontan dhe të stimuluar e bën të lehtë marrjen e një shprehjeje të njohur për shpërndarjen e frekuencës së densitetit të energjisë spektrale të rrezatimit në një gjendje ekuilibri termodinamik me lëndën ose spektrin. rrezatimi i trupit të zi. Në kushtet e ekuilibrit, numri i akteve të përthithjes dhe emetimit të fotoneve nga atomet për njësi të kohës duhet të jetë i barabartë me njëri-tjetrin (9.22). Ky konsideratë, së bashku me supozimin e shpërndarjes së energjisë Boltzmann të atomeve, bën të mundur gjetjen e numrit të fotoneve në modalitetin që korrespondon me hendekun e energjisë midis nivelet atomike(9.23) dhe llogaritni varësinë e densitetit të energjisë vëllimore të rrezatimit nga frekuenca e tij (9.24). raporti që rezulton, i quajtur Shpërndarja e plankut, është në përputhje të shkëlqyer me të dhënat eksperimentale. Përfshihet në karakteristikën e shprehjes për statistikat Bose-Einstein faktori mund të interpretohet si probabiliteti i gjetjes së një fotoni në një gjendje me një energji të caktuar. Meqenëse statistikat Bose-Einstein zbatohen për objektet mekanike kuantike me rrotullim të plotë, rezultati i marrë është në përputhje të plotë me përfundimin e bërë në Leksionin 7 se fotoni ka një rrotullim të barabartë me 1.