Atomların ve moleküllerin enerjisi değiştiği için çok sayıda farklı olay meydana gelir. Bazı durumlarda, uygulama için, fenomenlerin analizine atomik-moleküler bir yaklaşıma gerek yoktur. Diğerlerinde, fenomenin etkin kullanımı ancak moleküler (atomik) doğasının vazgeçilmez bir şekilde dikkate alınmasıyla mümkündür.

Bu bölüm, atomlar ve moleküller tarafından radyasyonun ve enerjinin soğurulmasının özelliklerinin yanı sıra, atomik doğası bilgisi, kullanımları için gerekli olan bazı pratik olarak önemli fenomenleri ana hatlarıyla belirtir. Bu geniş konunun bir kısmı bir sonraki bölümde tartışılacaktır.

29.1. RADYASYON ÖZELLİKLERİ VE ENERJİ SORGULAMASI

ATOMLAR VE MOLEKÜLLER

Bir atom ve bir molekül durağan enerji durumlarında olabilir. Bu durumlarda, enerji yaymazlar veya emmezler. Enerji durumları şematik olarak seviyeler olarak gösterilmektedir (bkz. örneğin, Şekil 28.13). En düşük enerji seviyesi - zemin seviyesi - zemin durumuna karşılık gelir.

Kuantum geçişlerinde atomlar ve moleküller bir durağan durumdan diğerine, bir enerji seviyesinden diğerine atlarlar.

Atomların durumundaki bir değişiklik ile ilişkilidir enerji geçişleri elektronlar. Moleküllerde enerji sadece elektronik geçişler sonucu değil, atomların titreşimindeki değişiklikler ve dönme seviyeleri arasındaki geçişler sonucunda da değişebilir.

Daha yüksekten hareket ederken enerji seviyeleri alt atom veya moleküle enerji verir ve ters geçişler sırasında onu emer. Temel durumundaki bir atom sadece enerjiyi emebilir.

İki tür kuantum geçişi vardır:

1) bir atom veya molekül tarafından radyasyon veya elektromanyetik enerji absorpsiyonu olmadan. Böyle bir radyasyonsuz geçiş, bir atom veya molekül diğer parçacıklarla etkileşime girdiğinde meydana gelir.

mi, örneğin, çarpışma sürecinde. Atomun iç durumunun değiştiği ve ışınımsız bir geçişin meydana geldiği esnek olmayan çarpışma ile elastik - atomun veya molekülün kinetik enerjisinde bir değişiklikle, ancak iç durumun korunmasıyla; 2) bir fotonun emisyonu veya absorpsiyonu ile.

Bir fotonun enerjisi, bir atom veya molekülün ilk ve son durağan durumlarının enerjileri arasındaki farka eşittir:

Formül (29.1) ifade eder enerji korunumu yasası.

Bir foton emisyonu ile kuantum geçişine neden olan nedene bağlı olarak, iki tür radyasyon ayırt edilir. Bu neden bir içsel ise ve uyarılmış parçacık kendiliğinden daha düşük bir enerji düzeyine geçiyorsa bu tür radyasyona radyasyon denir. doğal(Şek. 29.1, a). Zaman, frekans (farklı alt düzeyler arasında geçişler olabilir), yayılma ve polarizasyon yönünde rastgele ve kaotiktir. Geleneksel ışık kaynakları çoğunlukla kendiliğinden radyasyon yayar. diğer radyasyon zoraki, veya uyarılmış(Şek. 29.1, b). Fotonun enerjisi, enerji seviyeleri arasındaki farka eşitse, bir fotonun uyarılmış bir parçacıkla etkileşimi sırasında ortaya çıkar. Zorlanmış bir kuantum geçişinin bir sonucu olarak, parçacıktan aynı yönde iki özdeş foton yayılacaktır: biri birincil, zorlayıcı, diğeri ikincil, yayılan.

Atomlar veya moleküller tarafından yayılan enerji, emisyon spektrumunu oluşturur ve emilen enerji, absorpsiyon spektrumunu oluşturur.

yoğunluk spektral çizgiler saniyede meydana gelen özdeş geçişlerin sayısı ile belirlenir ve bu nedenle yayan (soğuran) atomların sayısına ve karşılık gelen geçişin olasılığına bağlıdır.

Herhangi bir enerji seviyesi arasında kuantum geçişleri yapılmaz. Geçişlerin mümkün ve imkansız veya olası olmadığı koşulları formüle eden yerleşik seçim veya yasaklama kuralları.

Çoğu atom ve molekülün enerji seviyeleri oldukça karmaşıktır. Seviyelerin yapısı ve sonuç olarak, spektrumlar şunlara bağlı değildir:

sadece binadan tek atom veya moleküller değil, aynı zamanda dış sebeplerden de.

Elektronların elektromanyetik etkileşimi, 1 enerji seviyesinin (ince yapı) ince bir şekilde bölünmesine yol açar. Çekirdeklerin manyetik momentlerinin etkisi aşırı ince parçalanmaya (aşırı ince yapı) neden olur. Bir atom veya molekülün dışında, elektriksel ve manyetik alanlar ayrıca enerji seviyelerinin bölünmesine de neden olur (Stark ve Zeeman fenomeni; bkz. 30.2).

Spektrumlar çeşitli bilgilerin kaynağıdır.

Her şeyden önce, atomlar ve moleküller, kalitatif spektral analizin görevlerinin bir parçası olan spektrum formu ile tanımlanabilir. Yayılan (emici) atomların sayısı, spektral çizgilerin yoğunluğundan belirlenir - nicel spektral analiz. Aynı zamanda, %10-5 - %10-6 konsantrasyonlarındaki safsızlıkların bulunması nispeten kolaydır ve çok küçük kütleli numunelerin bileşimi - birkaç on mikrograma kadar - belirlenir.

Spektrumdan, bir atom veya molekülün yapısı, enerji seviyelerinin yapısı, büyük moleküllerin tek tek parçalarının hareketliliği vb. yargılanabilir. Spektrumların bir atom veya molekül üzerinde etki eden alanlara bağımlılığını bilerek, kişi hakkında bilgi edinir. göreceli konum parçacıklar, çünkü komşu atomların (moleküllerin) etkisi bir elektromanyetik alan vasıtasıyla gerçekleştirilir.

Hareketli cisimlerin spektrumlarının incelenmesi, optik Doppler etkisi temelinde, radyasyon yayıcı ve alıcısının bağıl hızlarını belirlemeyi mümkün kılar.

Bir maddenin spektrumundan onun durumu, sıcaklığı, basıncı vb. hakkında sonuçlar çıkarmanın mümkün olduğunu hesaba katarsak, radyasyonun kullanımını ve atomlar ve moleküller tarafından enerjinin emilmesini bir araştırma yöntemi olarak çok takdir edebiliriz. .

Bir atom (veya molekül) tarafından yayılan veya emilen bir fotonun enerjisine (frekansına) bağlı olarak, aşağıdaki spektroskopi türleri sınıflandırılır: radyo, kızılötesi, görünür radyasyon, ultraviyole ve x-ışını 2 .

Maddenin cinsine göre (spektrumun kaynağı), atomik, moleküler spektrumlar ve spektrumkristaller.

1 Buradaki "bölme" terimi, bir süreç değil, önceden oluşturulmuş bazı durumlar anlamına gelir.

2 Nükleer kuantum geçişlerinden kaynaklanan gama spektroskopisi burada gösterilmemiştir.

29.2. IŞIK EMME

Bir ortamda yayılan ışığın yoğunluğu, maddenin molekülleri (atomları) tarafından emilmesi ve saçılması nedeniyle azalabilir.

ışığı emerekIşık enerjisinin diğer enerji biçimlerine dönüşmesi nedeniyle herhangi bir maddeden geçerken ışığın yoğunluğunun zayıflaması olarak adlandırılır.

Işığın madde tarafından soğurulması yasasını oluşturalım. Kalınlığı olan küçük bir madde tabakası seçersek dx(Şekil 29.2), o zaman soğurma sırasında bu katman tarafından ışığın yoğunluğunun dI zayıflaması, katmanın kalınlığı ve bu katmana gelen ışığın yoğunluğu ne kadar büyük olursa o kadar büyük olacaktır:

nerede k- doğal absorpsiyon indeksi (soğurucu ortama bağlı olan ve ışık yoğunluğuna belirli sınırlar içinde bağlı olmayan orantı faktörü); “-” işareti, maddeden geçerken ışığın yoğunluğunun azaldığı anlamına gelir, yani. dI<0. Интегрируя (29.2) и подставляя соответствующие пределы (рис. 29.2), получаем:

Bu formül ifade eder Bouguer'in ışığın absorpsiyon yasası. Gördüğünüz gibi, doğal emilim oranı k ortamdaki absorpsiyonun bir sonucu olarak ışık yoğunluğunun azaldığı mesafenin tersidir. e bir Zamanlar.

Doğal absorpsiyon indeksi ışığın dalga boyuna bağlıdır, bu nedenle monokromatik ışık için yasanın (29.3) yazılması tavsiye edilir:

nerede kx- tek renkli doğal absorpsiyon göstergesi.

Işığın absorpsiyonu moleküllerle etkileşimden kaynaklandığı için, absorpsiyon yasası moleküllerin belirli özellikleriyle ilişkilendirilebilir.

İzin vermek Pışık kuantumunu emen moleküllerin konsantrasyonudur. Bir molekülün etkin absorpsiyon kesitini σ olarak gösterelim (bir fotonun içine girdiği ve molekül tarafından yakalandığı bir alan).

Bu katmanın moleküllerinin etkin kesitinin toplam alanı σnSdx'e eşittir. Bu katmana bir foton akışı düşer Ф = DIR-DİR. Moleküllerin etkili kesit alanının toplam kesit alanındaki oranı:

Katman tarafından emilen fotonların oranı, ışığın akısı (F/F) veya yoğunluğu (dI/I) cinsinden ifade edilebilir. Yukarıdakilere dayanarak şunları yazabiliriz:

29.3. IŞIK SAÇILMASI

Işık saçılmasıbir ortamda yayılan bir ışık huzmesinin olası tüm yönlerde sapması olayı olarak adlandırılır.

Işık saçılmasının meydana gelmesi için gerekli bir koşul, optik homojensizliklerin varlığıdır, yani. ana ortam dışında bir kırılma indisine sahip bölgeler.

Işığın saçılması ve kırınımının bazı ortak özellikleri vardır, her iki fenomen de bariyer veya homojen olmama oranına ve dalga boyuna bağlıdır. Bu fenomenler arasındaki fark, kırınımın ikincil dalgaların girişiminden kaynaklanması ve saçılmanın, ışığın etkisi altında homojen olmayanlarda elektronların zorunlu salınımlarından kaynaklanan radyasyonun eklenmesinden (girişim değil!) kaynaklanması gerçeğinde yatmaktadır.

Bu tür homojensizliklerin iki ana türü vardır:

1) homojen şeffaf bir maddede küçük yabancı parçacıklar. Bu tür ortamlar bulanıktır: duman (gazdaki katı parçacıklar), sis (gazdaki sıvı damlacıklar), süspansiyonlar, emülsiyonlar vb. Bulanık ortamda saçılmaya Tyndall fenomeni denir;

2) moleküllerin düzgün dağılımdan istatistiksel sapması (yoğunluk dalgalanmaları) nedeniyle saf bir maddede ortaya çıkan optik homojensizlikler. Işığın bu tip homojen olmamalarla saçılmasına moleküler denir; örneğin, atmosferdeki ışığın saçılması.

Saçılma nedeniyle ışık yoğunluğundaki azalma, absorpsiyon durumunda olduğu gibi, üstel bir fonksiyon kullanılarak tanımlanır:

nerede m- saçılma indeksi (doğal).

Işığın absorpsiyon ve saçılımının birleşik etkisi altında, yoğunluk zayıflaması da üstel bir fonksiyondur:

burada μ zayıflama indeksidir (doğal). μ = olduğunu görmek kolaydır m+k.

Rayleigh, bulanık bir ortamda yaklaşık olarak 0,2λ'dan daha az homojen olmayanlarla saçılma sırasında ve ayrıca moleküler saçılma sırasında saçılan ışığın yoğunluğunun dalga boyunun dördüncü kuvvetiyle ters orantılı olduğunu buldu. (Rayleigh yasası):

Bu, beyaz ışıktan bir maddenin, örneğin bir noktada d(Şekil 29.3), mavi ve mor ışınlar ağırlıklı olarak saçılacak (A yönü) ve kırmızı ışınlar yönünde geçecek b düşen ışık. Doğada da benzer bir fenomen gözlenir: gökyüzünün mavi rengi saçılan ışıktır, batan güneşin kırmızı rengi önemli saçılma nedeniyle beyaz ışığın spektrumundaki bir değişikliktir.

atmosferdeki mavi ve mor ışınlar eğik insidansta (bkz. Şekil 27.3'teki açıklamaya bakın).

Sinyalizasyonda kırmızı ışınların daha az saçılması kullanılır: hava meydanlarındaki tanımlama ışıkları, en önemli trafik ışığı kırmızıdır, vb. Kızılötesi ışınlar daha da az saçılır. Şek. 29.4, manzaranın iki fotoğrafını gösterir: solda, olağan yöntemle çekilmiş, sis ciddi şekilde sınırlı görüş alanı: sağda, özel bir plaka üzerinde kızılötesi radyasyonla çekilmiş, sis karışmaz, şeffaf olduğu ortaya çıktı. daha uzun dalgalar

Asılı parçacıklar dalga boyuna kıyasla büyükse, saçılma Rayleigh yasasına (29.14) karşılık gelmez - kesrin paydası λ 2 olacaktır. Dağınık ışık maviliğini kaybeder ve daha beyaz olur. Böylece şehirlerin tozlu gökyüzü, berrak deniz alanlarının lacivert gökyüzünün aksine bize beyazımsı görünüyor.

Saçılan ışığın yönü, polarizasyon derecesi, spektral kompozisyon vb. moleküller arası etkileşimi karakterize eden parametreler, çözeltilerdeki makromoleküllerin boyutları, kolloidal çözeltilerdeki partiküller, emülsiyonlar, aerosoller vb. hakkında bilgi getirir.

Bu tür bilgileri elde etmek için saçılan ışığı ölçme yöntemlerine denir. nefelometri, ve ilgili cihazlar nefelometreler.

29.4. OPTİK ATOM SPEKTRALARI

Atomik spektrumlar, serbest veya zayıf etkileşimli atomların seviyeleri arasındaki kuantum geçişleri sırasında ortaya çıkan hem emisyon spektrumları hem de absorpsiyon spektrumlarıdır.

Optik atomik spektrum ile, birkaç elektron volt mertebesinde foton enerjili dış elektron seviyeleri arasındaki geçişlerden kaynaklananları kastediyoruz. Bu, spektrumun ultraviyole, görünür ve yakın kızılötesi (mikrometreye kadar) bölgelerini içerir.

En çok ilgi çeken, uyarılmış atomlardan elde edilen optik atomik emisyon spektrumlarıdır. Uyarılmaları genellikle bir gazda elektrik boşalması veya gaz brülörü alevi, elektrik arkı veya kıvılcım ile bir maddenin ısıtılması sırasında ışımasız kuantum geçişlerinin bir sonucu olarak elde edilir.

29.1'de atomların spektrumları hakkında genel düşünceler verildi. Spesifik atomların spektrumları hakkında ayrıntılı bilgi, spektroskopi ile ilgili özel referans kitaplarında bulunabilir. Basit bir örnek olarak, bir hidrojen atomunun ve hidrojen benzeri iyonların spektrumunu düşünün.

(28.24) ve (29.1) formüllerinden bir hidrojen atomu (Z = 1) tarafından yayılan (soğurulan) ışığın frekansı için bir formül elde edilebilir:

Bu formül deneysel olarak I.Ya tarafından bulundu. Balmer, kuantum mekaniğinin yaratılmasından çok önce ve teorik olarak Bohr tarafından elde edildi (bkz. 28.7); i ve k kuantum geçişinin gerçekleştiği seviyelerin sıra sayılarıdır.

Spektrum denilen çizgi gruplarına ayrılabilir. spektral dizi.

Her seri, emisyon spektrumlarına uygulandığı gibi, farklı seviyelerden aynı son seviyeye geçişlere karşılık gelir (Şekil 29.5).

Ultraviyole bölgesinde bulunan lyman serisi, En yüksek enerji seviyelerinden en yüksek enerji seviyelerine geçiş sırasında oluşan

alt, ana (k = 1). Lyman serisi için (29.15) formülünden şunu elde ederiz:

şunlar. Bu serinin tüm doğrularının frekanslarını bulun. En uzun dalga boyu çizgisi en yüksek yoğunluğa sahiptir. Şekil l'deki spektral çizgilerin yoğunlukları. 29.5, karşılık gelen doğrudan geçişlerin kalınlığı ile şartlı olarak gösterilir.

Spektrumun görünür ve yakın ultraviyole bölgelerinde, üst enerji düzeylerinden ikinciye (k = 2) geçişler sonucunda ortaya çıkan Balmer serisi vardır. (29.15) formülünden Balmer serisi elde ederiz:

29.5. MOLEKÜLER SPEKTRA

Moleküler spektrumlar (emisyonlar ve absorpsiyonlar), moleküllerin bir enerji seviyesinden diğerine kuantum geçişleri sırasında ortaya çıkar (bkz. 28.9) ve yakın aralıklı çizgiler olan bir dizi az ya da çok geniş banttan oluşur. Moleküler spektrumların atomik olanlarla karşılaştırıldığında karmaşıklığı,

çok çeşitli hareketler ve sonuç olarak moleküldeki enerji geçişleri.

(29.1) ve (28.37) dikkate alındığında, molekül tarafından yayılan veya absorbe edilen frekansı buluruz:

Moleküler spektrumlar, sadece moleküllerin yapısını değil, aynı zamanda moleküller arası etkileşimlerin doğasını da incelemeyi mümkün kılar.

Moleküler absorpsiyon (absorpsiyon) spektrumları biyolojik olarak işlevsel moleküller hakkında önemli bir bilgi kaynağıdır, modern biyokimyasal ve biyofiziksel çalışmalarda yaygın olarak kullanılırlar.

Çoğu durumda, bu spektrumlar, yukarıda açıklanan ayrıntıları çözmeden sürekli olarak kaydedilir.

Yani, örneğin, Şekil 1'de. 29.8, bir eritrosit süspansiyonunun absorpsiyon spektrumunu gösterir. İnsan derisinin absorpsiyon spektrumu Şekil 2'de gösterilmektedir. 29.9, ultraviyole kısmında, absorpsiyon oranı yüksektir ve cilt en üst katmanlarda radyasyonu emer. Görünür bölgede absorbans azalır ve kırmızı bölgeye kadar hemen hemen sabit kalır.

29.6. ÇEŞİTLİ LÜMİNESAN TÜRLERİ

Lüminesans, belirli bir sıcaklıkta, periyodu önemli ölçüde aşan bir süreye sahip olan bir cismin aşırı termal radyasyonu olarak adlandırılır.(10 -15 sn) yayılan ışık dalgaları.

Bu tanımdaki süre işareti S.I. Vavilov tarafından lüminesansı, ışığın yansıması ve saçılması gibi diğer bazı ikincil lüminesans fenomenlerinden ayırt etmek için.

Uyarma türüne bağlı olarak, çeşitli lüminesans türleri ayırt edilir.

Yüklü parçacıkların neden olduğu lüminesans: iyonlar - io-nolüminesans, elektronlar - katodolüminesans, nükleer radyasyon - radyolüminesans. X-ışını ve γ-radyasyonunun etkisi altındaki lüminesansa X-ışını lüminesansı denir, fotonlar - fotolüminesans (bkz. 29.7). Bazı kristalleri ovuştururken, ezerken veya parçalarken, tribolüminesans. Bir elektrik alanı tarafından heyecanlı elektrolüminesans, özel bir durum gaz deşarjının parlamasıdır. Ekzotermik bir kimyasal reaksiyona eşlik eden ışıldama denir. kemilüminesans (bkz. 29.8).

Bazen basitçe lüminesans olarak adlandırılan fotolüminesans, flüoresans (kısa art ışıma) ve fosforesans (nispeten uzun parlama) olarak alt bölümlere ayrılır.

Herhangi bir fotolüminesansın ilk eylemi, bir fotonun enerji ile uyarılmasıdır. hv atom veya molekül. Genellikle tek atomlu buharlarda ve gazlarda gerçekleşen en basit durumda, atom aynı frekansta bir ışık fotonu yayarak temel duruma döner ν (Şekil 29.10). Bu fenomene denir rezonans floresan (rezonans saçılması). Özel deneyler ışığın ne olduğunu göstermiştir.

29.7. fotolüminesans

Emisyon, maddenin aydınlanmasından yaklaşık 10 -8 s sonra meydana gelir ve bu nedenle kelimenin genel anlamıyla saçılma olmaz.

Lüminesan buharlara yabancı gazlar (hidrojen, oksijen vb.) eklendiğinde rezonans floresansı azalır. Bunun nedeni, atomun bulunduğu süre boyunca

uyarılmış haldeyken farklı türde bir molekülle karşılaşabilir ve ona enerji verebilir. Bu durumda molekülün kinetik enerjisi artar ve atom ışınımsız olarak temel duruma geçer.

Heyecanlı durumdan daha olasıdır 3 (Şekil 29.11) molekül radyasyonsuz olarak seviyeye geçecektir. 2, ve daha sonra hv" enerjisine sahip bir kuantumun kendiliğinden emisyonu ile 1.

Karmaşık organik moleküllerde, uyarılmış bir durumdan bir geçiş meydana gelir. 3 bazı ara, yarı kararlı 4'e, temel duruma geçiş olası değildir (Şekil 29.12). Çevredeki parçacıkların moleküler-kinetik enerjisi veya yeni bir ışık kuantumu nedeniyle, molekülün uyarılmış bir seviyeye geçişi mümkündür. 2, ve ondan temel duruma 1. Bu fosforesans mekanizmalarından biridir. Isıtma, yarı kararlı seviyeden ayrılma olasılığını arttırır ve fosforesansı arttırır.

Fotolüminesans için, temelde doğrudur Stokes yasası: lüminesans spektrumu, bu fotolüminesansa neden olan spektruma göre uzun dalga boylarına doğru kaydırılır (Şekil 29.13).

Aslında, Şekil 2'den de görülebileceği gibi. 29.10, yayılan fotonun hv "enerjisi, emilen fotonun hv enerjisinden büyük değildir:

nereden λ "\u003e λ. Stokes yasasından sapmalar var - Stokes karşıtı ışıldama. Bu, özellikle fotolüminesans ayrı bir spektral çizgi, yani monokromatik ışık tarafından uyarıldığında belirgindir (Şekil 29.14). zaten uyarılmış durumda olan parçacık uyarılır (Şekil 29.15, seviye 3). 2 esas olarak 1 enerji hv yayılır". Şekilden de görülebileceği gibi:

Protein molekülleri gibi bir dizi biyolojik olarak işlevsel molekül, floresan sergiler. Floresan parametreleri, floresan molekülün ortamının yapısına duyarlıdır; bu nedenle lüminesans, kimyasal dönüşümleri ve moleküller arası etkileşimleri incelemek için kullanılabilir.

Son yıllarda membran sistemlerine dışarıdan eklenen özel floresan moleküller yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Bu tür moleküllere floresan problar (membran ile kovalent olmayan bağ) veya floresan etiketler (kimyasal bağ) denir.

Probların ve etiketlerin floresansının değiştirilmesi, proteinler ve zarlardaki konformasyonel yeniden düzenlemeleri tespit etmeyi mümkün kılar.

Tıbbi amaçlar için bazı fotolüminesans uygulamalarını düşünün.

Onları incelemek için nesnelerin ışıldamasının gözlemlenmesine dayanan ışıldama analizi, gıda bozulmasının ilk aşamasını tespit etmek, farmakolojik müstahzarları sıralamak ve bazı hastalıkları teşhis etmek için kullanılır. Böylece, ultraviyole ışık altında mantardan etkilenen saç ve pullar, parlak yeşil ışıldayan bir parıltı verir. Deri kılcal geçirgenliği, ışıldayan boyaların deri altına enjekte edilmesiyle belirlenebilir.

Uygun koşullar altında, ışıldama analizi, 10 -10 g ağırlığa kadar ışıldayan maddelerin tespit edilmesini mümkün kılar.

Mikroskobik nesnelerin ışıldayan analizi, geleneksel ışık kaynaklarının aksine, genellikle yüksek ve çok yüksek basınçlı cıva lambaları kullanan ve iki ışık filtresi kullanan özel ışıldayan mikroskoplar kullanılarak gerçekleştirilir. Bunlardan biri, kondenserin önünde bulunur

çöp, nesnenin ışıldamasına neden olan ışık kaynağının spektrum bölgesini vurgular; mercek ve göz merceği arasında bulunan diğeri lüminesans ışığı yayar. Fotolüminesansa dayalı olarak, spektrumları akkor lambalardan daha gün ışığı ile tutarlı olan ışık kaynakları oluşturulmuştur. Bu hem endüstriyel hem de hijyenik amaçlar için önemlidir. Floresan lambalar olarak adlandırılan bu tür floresan lambalarda, cıva buharında düşük basınçta (elektrolüminesans) bir elektrik boşalması meydana gelir. Sıradan camdan yapılmış lambanın iç yüzeyinde (Şekil 29.16), cıva buharından gelen radyasyonun etkisi altında fotolüminesans olan ince bir fosfor tabakası biriktirilir.

Fosforun bileşimini değiştirerek en uygun fotolüminesans spektrumunu seçmek mümkündür. Şek. 29.17 olası spektrumlardan birini gösterir, yoğun çizgiler, radyasyonu kısmen fosfordan geçen buhar spektrumuna karşılık gelir.

29.8. KEMİLÜMİNESANS

Kimyasal reaksiyonlara eşlik eden lüminesansa kemilüminesans denir.

Ya doğrudan tepkime ürünleri tarafından ya da tepkime ürünlerinden kendilerine enerji aktarımının bir sonucu olarak uyarılan diğer bileşenler tarafından yayılır.

Kemilüminesans parlaklığı, yani birim zamanda yayılan kuanta sayısı, reaksiyon hızındaki ve kemilüminesansın etkinliğindeki bir artışla artar - bir reaksiyon eylemi başına ortalama kuanta sayısı. Kemilüminesans, bir maddenin bileşimini belirlemek için kullanılabilir (kemilüminesan analizi).

Belirli bir kemilüminesans tezahürü - biyolojik nesnelerin kimyasal reaksiyonlarına eşlik eden bir parıltı - denir. biohe-

milüminesans.Çürük, ateşböceklerinin radyasyonu - biyokemilüminesans (biyolüminesans) örnekleri.

Biyofizikçiler arasında düşük yoğunluklu biyolüminesans denir. süper düşük ışık, bir dizi bilim adamı, özellikle Yu.A. tarafından aktif olarak incelenmiştir. Vladimirov.

Biyolojik sistemlerde kemilüminesansın lipid peroksit serbest radikallerinin rekombinasyonu sırasında meydana geldiği gösterilmiştir: RO 2 +RO2 - uyarılmış ürün - ürün + + kemilüminesans kuantum.

Kemilüminesansın yoğunluğu, incelenen biyolojik sistemler, örneğin demirli tuzlar eklendiğinde önemli ölçüde artar. Şek. 29.18, demirli demirin eklenmesi anında mitokondriyal süspansiyondaki lüminesans yoğunluğundaki bir artışı göstermektedir. Pürülan apandisit veya kolesistit durumunda kan plazması ile benzer bir deney yapılırsa, ilk durumda parıltının çok daha zayıf olduğu fark edilebilir. Böylece kemilüminesans bir tanı yöntemi olarak kullanılabilir.

29.9. FOTOBİYOLOJİK SÜREÇLER

Fotobiyolojik süreçler, biyolojik olarak işlevsel moleküller tarafından ışık kuantumlarının absorpsiyonu ile başlayan ve vücutta veya dokularda karşılık gelen bir fizyolojik reaksiyonla biten süreçler olarak adlandırılır.

Işığın biyolojik süreçlerin seyri üzerindeki etkisinin önemli bir özelliği, fotobiyolojik etkinin spektrumudur - fotobiyolojik etkinin hareket eden ışığın dalga boyuna bağımlılığı. Eylem spektrumları, spektrumun hangi bölgesinin biyolojik bir sürece en etkili şekilde neden olduğunu belirlemenize ve böyle bir etkinin mekanizmasını bulmanızı sağlar.

Görme mekanizmasını açıklamak (bkz. 29.10) ve UV radyasyonunun çeşitli etkilerini değerlendirmek (bkz. 27.7) için hekimin bu süreçleri anlaması gerekir.

Bir kuantum ışığı emdikten sonra (bkz. 29.2) molekül heyecanlanır. Uyarma enerjisi diğer moleküllere aktarılabilir. Fotobiyolojik bir süreç için, böyle bir uyarım sonucunda kimyasal bir dönüşümün (fotokimyasal reaksiyon) gerçekleşmesi esastır. Birincil fotokimyasal eylemden sonra reaksiyonlar, ışığın varlığına gerek kalmayacak şekilde gelişir (karanlık reaksiyonlar), sonunda biyolojik sistemin ışığa tepkisine yol açarlar.

Bu sürecin ilk aşamalarını nicel olarak ele alalım: ışığın emilmesi ve birincil fotokimyasal reaksiyon.

29.2'ye benzer şekilde, bir foton molekülü σ'nın etkin absorpsiyon kesiti kavramını tanıtıyoruz. Bouguer-Lambert-Beer yasasının türetilmesinden farkı en azından şudur: ilk olarak, ışığa maruz kalmak dönüşümlerine neden olduğu için aktif moleküllerin sayısındaki azalmayı dikkate alacağız; ikinci olarak, yeterince ince bir seyreltik çözelti tabakası düşünün, bu ışık yoğunluğunu okumamıza izin verecektir. ben 0çözüm boyunca sabit ve aynıdır.

Işığın etkisi altında moleküllerin konsantrasyonundaki dn'deki temel azalma aşağıdakilerle orantılıdır:

Konsantrasyonlar n moleküller;

Etkili absorpsiyon kesiti σ;

ışınlama süresi dt;

Hücre yüzünün (I 0) 1 m 2 'sinden birim zamanda geçen foton sayısı:

Burada ben 0 t = D0- radyasyon dozu ve σφ χ = σ χ - fotokimyasal dönüşüm için molekülün kesit alanı, bir fotonun bir molekül ile böyle bir etkileşiminin olasılığı ile orantılıdır, bunun sonucunda bir fotokimyasal reaksiyon meydana gelir .

φ χ'yi bulmak için, ln (" 0 / n t) = bağımlılığını çizin f(D0) ve düz çizginin eğimi boyunca [bkz. (29.24)] bu değeri belirler (Şekil 29.19).

Fotokimyada, σ χ (λ) bağımlılığına eylem spektrumu denir. Bu ilişki, ilişki kullanılarak bulunabilir. σ χ = σφχ . Mesele şu ki, kuantum

Çözeltilerdeki fotokimyasal reaksiyonların toplam verimi, etki eden ışığın dalga boyuna bağlı değildir. (φ χ = const). Fiziksel olarak bu, uyarılma enerjisi hv ne olursa olsun, molekülün uyarılacağı (bkz. 28.9) ve bir fotokimyasal dönüşüm başlatabileceği anlamına gelir. Bunu dikkate alarak, eylem spektrumunun σ χ (λ) ve absorpsiyon spektrumunun (bkz. 29.2) - bağımlılık σ (λ) - aynı forma sahip olduğu sonucuna varabiliriz, çünkü bunlar sadece sabit bir faktör φ χ ile farklılık gösterir. Çok

Bu özellik, fotobiyolojik etki spektrumunu çeşitli biyokimyasal bileşiklerin absorpsiyon spektrumlarıyla karşılaştırarak, ışığın ve özellikle UV radyasyonunun etki mekanizmasını belirlemeyi mümkün kılar.

Bu nedenle, örneğin, UV radyasyonunun etkisi altında (fotobiyolojik etki spektrumu) bakteriyel ölüm eğrisinin, nükleik asitlerin absorpsiyon spektrumuna benzer olduğu bulundu. Bu, bakterilerin ölümünün nükleik asitlere verilen hasardan kaynaklandığı sonucuna varmak için temel oluşturdu.

26.4'te gözün ışığı ileten kısmının özellikleri dikkate alındı. Işığın gözle algılanması fotobiyolojik bir süreçtir, bu nedenle burada ışık algılama aparatının çalışma mekanizması ele alınmaktadır.

29.10. GÖRSEL ALMANIN BİYOFİZİKSEL TEMELLERİ

Işığa duyarlı görme hücreleri - çubuklar ve koniler - ışık duyusunun uyarılmasında farklı roller oynar. Çubuklar ışığa daha duyarlıdır, ancak renkleri ayırt etmez. Koniler renkleri ayırt eder; ek olarak, nesnenin yeterli parlaklığı ile, görüntü ayrıntılarının algılanmasına duyarlıdırlar, bu nedenle gözün çözünürlüğü, konilerin retina üzerine yerleştirilmesinden kaynaklanmaktadır (bkz. 26.4).

Çubuklar, alacakaranlık ve akromatik görüş ve koniler - gün ve renk aparatına aittir.

Önce gözün ışığa ve renge duyarlılığı hakkında bazı genel soruları ele alalım.

Gözün ışığa duyarlılığı, eşik parlaklığının karşılığıdır, yani. belirli izleme koşulları altında görsel bir duyum oluşturan minimum parlaklık.

Gözün ışığa duyarlılığı, görme nedeniyle geniş bir aralıkta değişir. adaptasyon- gözün farklı parlaklıklara uyum sağlama yeteneği. Adaptasyon aşağıdaki şekillerde gerçekleştirilir:

1) ışık akısını 16 kat değiştiren göz bebeğinin çapını 2 ila 8 mm arasında değiştirerek;

2) ayrışmamış ışığa duyarlı maddenin konsantrasyonunda bir azalma;

3) konilerin ve çubukların koroide yerleştirilmiş ve adaptasyon sürecinde vitröz gövdeye doğru hareket edebilen koyu bir pigment ile korunması;

4) nesnenin parlaklığına bağlı olarak, ışık duyusunun uyarılmasında çubukların ve konilerin katılım derecesinde bir değişiklik.

Adaptasyon, gözün 10 -7 ila 105 cd/m 2 parlaklık aralığında normal şekilde çalışmasını sağlar. Alt sınır veya tam karanlığa uyum sağlayan gözün ışık duyarlılığının mutlak eşiği, saniyede yaklaşık yüz fotondur. Bunlardan sadece yaklaşık %10'u retina çubuklarındaki görsel pigment molekülleri tarafından emilir ve geri kalanı korneadan yansır, gözün optik ortamı tarafından emilir veya retinadan geçerek hücrelerde emilir. pigment epiteli. Retinanın altında yatan pigment epitelinin varlığı, gözün arka duvarından ışığın yansımasını ve saçılmasını önemli ölçüde azaltır. İnsan gözü, dalga boyu yaklaşık 400 ila 760 nm olan elektromanyetik dalgalara tepki verir. Gözün spektral duyarlılığı şu şekilde karakterize edilir: radyasyon görünürlüğü:

Gündüz görüşünün maksimum görünürlük eğrisi, atmosferden geçen ve Dünya'nın yüzeyine çarpan maksimum güneş radyasyonuna karşılık gelir (bkz. 27.4), bu insan gözünü düzenlemenin uygunluğunu gösterir.

Çubuk (Şekil 29.21) ışığa duyarlı bir dış segmentten oluşur 1 ve yurtiçi segment 2, hücrenin işleyişini sağlayan çekirdek ve mitokondriyi içerir. Dış segmentin içinde ince diskler bulunur 3 yaklaşık 6 µm çapında. Her disk iki katmanlı bir zardan oluşur ve düzleştirilmiş bir lipozom şeklindedir (bkz. 13.1). Görsel disklere görsel bir pigment yerleştirilmiştir.

ment - rodopsin. Bir hücredeki disk sayısı birkaç yüzle ölçülür. İç segmentten sinir lifine bir bağlantı vardır.

Rodopsin, moleküler ağırlığı yaklaşık 40.000 olan kompleks bir proteindir.Molekülünün çapı, şekli küresel olarak alınırsa 4 nm'dir.

Rodopsin, protein opsin ve kromofor grubu - retinadan oluşur.

Genel olarak konuşursak, retina birkaç uzaysal izomere sahip olabilir, ancak sadece P-sisretinal opsin'e bağlanır (Şekil 29.22). Işığın etkisi altında, retinal rodopsinden ayrılır ve sürekli trans izomerin en kararlı konformasyonuna geçer.

Retina yapısındaki değişikliklerin bir sonucu olarak, rodopsin pozisyonundaki bir değişiklikle ilişkili disk zarında değişiklikler meydana gelir. Rodopsin, interdiskal hidrofilik yüzeyden zarın iç jirofobik fazına geçer.

Karanlıkta disk zarı Na+, K+, Ca2+ vb. için geçirgen değilse, aydınlatmanın bir sonucu olarak, rodopsin'deki konformasyonel değişiklik zarın durumunda bir değişikliğe yol açar: bazı iyonların geçirgenliği artar . Bu işlemlerde, rodopsinin işlevi, ışığın etkisi altında, bazı iyonlar için disklerde gözenek oluşumunu teşvik etmesi ve sodyum iyonları için dış zardaki kanalları kapatmasıdır. Bu, sinir impulsuna neden olan potansiyellerin ortaya çıkmasına neden olur. Retina çubuklarının dış bölümlerinin bir özelliği, karanlıkta potansiyelin, diğer hücrelerin potansiyelinin aksine bir sodyum doğasına sahip olmasıdır (bkz. 13.7). Işık etkisi altında rodopsin yapısındaki bir değişikliğin bir sonucu olarak, zarların sodyum için geçirgenliği keskin bir şekilde azalır ve diğer iyonlar için bu azalmaz.

değişiyor. Bu durumda potasyumun geçirgenliği önce gelir, potansiyel potasyum niteliğinde olur ve polaritesi değişir. Bu, bilinen tüm diğer hücrelerden farklı olarak, çubukların dış bölümlerinin sitoplazmik zarında, potansiyelin içeride artı işareti ve dışarıda eksi işaretine sahip olmasına yol açar.

Koni pigmenti ayrıca rodopsin gibi P-cisretinal içerir, ancak pigmentin protein kısmı farklıdır, bu nedenle koni pigmentlerine iyodopsinler denir.

Bireysel koni çeşitlerinin absorpsiyon spektrumlarının ölçümü, her koninin belirli bir iyodo-psin tipi içerdiğini gösterdi. İnsan koni iyodopsinleri 445, 535 ve 570 nm'de maksimum absorpsiyona sahiptir (Şekil 29.23). Bu bilgi, üç bileşenli renk görme teorisine dayanmaktadır. Bazı genetik hastalıklarda iyodopsin proteinlerinin sentezi bozulur ve göz kırmızı ve yeşil renkleri ayırt edemez (renk körlüğü).

Absorpsiyon eğrisi

γ-radyasyonu, dalga boyu atomlar arası mesafelerden çok daha az olan elektromanyetik dalgaları içerir, yani. λ< а, где а ~ 10 -8 см. Таким образом, нижний предел энергии γ-квантов получается Е = hν = hc/λ. = 12 кэВ.
Yüklü parçacıklar gibi, foton akışı da esas olarak elektromanyetik etkileşim nedeniyle madde tarafından emilir. Bununla birlikte, bu absorpsiyonun mekanizması esasen farklıdır. Bunun iki nedeni vardır:
1) fotonlar yoktur elektrik şarjı ve bu nedenle uzun menzilli Coulomb kuvvetlerinden etkilenmezler. Bu nedenle, maddeden geçerken fotonlar nispeten nadiren elektronlar ve çekirdeklerle çarpışırlar, ancak diğer yandan, çarpışma sırasında, kural olarak, yollarından keskin bir şekilde saparlar, yani. pratik olarak ışından düşmek;
2) fotonlar sıfır durgun kütleye sahiptir ve bu nedenle ışık hızından farklı bir hıza sahip olamazlar. Ve bu, ortamda yavaşlayamayacakları anlamına gelir. Çoğunlukla geniş açılarda ya emilirler ya da saçılırlar. Bir foton ışını bir maddenin içinden geçtiğinde, ortam ile etkileşimlerin bir sonucu olarak bu ışının yoğunluğu kademeli olarak zayıflar. Bu zayıflamanın gerçekleştiği yasayı bulalım, yani. maddedeki fotonların absorpsiyon eğrisi.

Bir foton akısı J 0 cm -2 s -1 kendisine dik olan düz bir hedefin yüzeyine düşsün (Şekil 3.1) ve hedef kalınlığı x (cm) o kadar küçüktür ki sadece tek bir etkileşim meydana gelir. Fotonlar dx bir madde tabakasından geçtiğinde bu akı dJ'nin yoğunluğundaki değişiklik, bu tabakanın derinliğindeki J akısının değeri, tabaka kalınlığı dx (cm), atomların yoğunluğu n (cm - 3) ve etkin foton etkileşimi kesiti σ (cm 2):

Bu denklemi çözmek, absorpsiyon eğrisini verir.

J x \u003d J 0 e -σnx.

Genellikle, iki kavram, fotonların madde içinde soğurulmasıyla ilişkilendirilir.

1. Doğrusal absorpsiyon katsayısı τ = nσ; [τ] = cm -1 ve Jx = J0e -τx . Böylece τ, foton akısının e faktörü ile zayıflatıldığı santimetre cinsinden maddenin kalınlığıdır.
2. Kütle absorpsiyon katsayısı μ = τ/ρ = σn/ρ, burada ρ (g/cm) maddenin yoğunluğudur. μ boyutu şu şekilde elde edilir: [μ] = cm2 /g. Bu durumda foton akısındaki değişiklik şu şekli alır:

J x \u003d J 0 e -μxρ,

burada xρ (g / cm 2), kütle birimlerinde ölçülen maddenin kalınlığıdır. Anlamı aynıdır - bu, akışın e kez zayıfladığı g / cm2 cinsinden maddenin böyle bir kalınlığıdır.

Absorpsiyon katsayısı, fotonların maddeden geçişini tamamen karakterize eder. Ortamın özelliklerine ve foton enerjisine bağlıdır. Absorpsiyon, her biri kendi absorpsiyon katsayısına, μ i , τ i ,... olan birkaç farklı süreç nedeniyle meydana gelirse, o zaman toplam absorpsiyon katsayısı μ = ∑μ i ve τ = ∑τ i
Fotonların madde tarafından absorpsiyonu esas olarak üç süreç nedeniyle gerçekleşir: fotoelektrik etki, Compton etkisi ve çekirdeğin Coulomb alanında elektron-pozitron çiftlerinin üretimi.

3.2 Fotoelektrik etki

Fotoelektrik etki, fotonların etkisi altında, bağlı durumdaki bir maddede bulunan elektronların serbest bırakılmasıdır. İç ve dış fotoelektrik etkiyi ayırt eder.
İç fotoelektrik etki, elektronların etkisi altında geçişidir. Elektromanyetik radyasyon bir yarı iletken veya dielektrik içinde, dışarıya kaçmadan bağlı durumdan serbest duruma geçer.
Dış fotoelektrik etki katılarda, gazlarda, tek tek atomlar ve moleküller üzerinde gözlenir - bu, fotonlar emildiğinde dışa doğru elektron emisyonudur. Bu derslerde sadece dış fotoelektrik etki tartışılacaktır. Fotoelektrik etki, bir atomun bir fotonu emdiği ve bir elektron yaydığı süreçtir. Bu durumda, gelen foton atoma bağlı elektronla etkileşir ve enerjisini ona aktarır. Elektron Te kinetik enerjisini alır ve atomu terk ederken, atom uyarılmış halde kalır. Bu nedenle, fotoelektrik etkiye her zaman bir atomun karakteristik X-ışını emisyonu veya Auger elektronlarının emisyonu eşlik eder. Auger etkisi ile, bir atomun uyarma enerjisinin elektronlarından birine doğrudan aktarımı vardır ve sonuç olarak atomu terk eder. Fotoelektrik etkide enerjinin ve momentumun korunumu yasaları şu şekilde temsil edilebilir:

hν = T e + ben + T ben, ve

nerede , − kinetik enerji geri tepme çekirdekleri; ben - iyonlaşma enerjisi
atomun i-inci kabuğu; . Genellikle hν >> I i + T i olduğundan, fotoelektronların enerjisi T e ≈ hν'dur ve sonuç olarak fotoelektronların enerji spektrumu monokromatik yakındır.
Enerjinin ve momentumun korunumu yasalarından, fotoelektrik etkinin serbest bir elektron üzerinde meydana gelemeyeceği sonucu çıkar. Bunu "çelişkiyle" kanıtlayalım: Böyle bir sürecin mümkün olduğunu varsayalım. O zaman korunum yasaları şöyle görünecek

Buradan, β = 0 ve β = 1 olmak üzere iki kökü olan 1 - β = √1 - β 2 denklemini elde ederiz. Bunlardan birincisi T e = hν = 0'a karşılık gelir ve ikincisinde fiziksel duyu Kütlesi sıfırdan farklı olan parçacıklar için.
Bu ispat göreli olmayan durum için daha da net görünüyor: hν = m e v 2 /2 ve hν/c = m e v. Sistemin çözümü, olamaz v = 2c ifadesine götürür.
Bu nedenle, serbest bir elektron bir fotonu ememez. Fotoelektrik etki için, bir elektronun bir atomla bağlantısı, foton momentumunun bir kısmının aktarıldığı esastır. Fotoelektrik etki sadece bağlı bir elektron üzerinde mümkündür. Bir elektronun bir atomla bağlanma enerjisi bir fotonun enerjisine kıyasla ne kadar düşükse, fotoelektrik etki o kadar az olasıdır. Bu durum, fotoelektrik etkinin tüm ana özelliklerini belirler:

A) foton enerjili kesitin seyri - σ f (hν) , b) fotoelektrik etkinin olasılıklarının farklı üzerindeki oranı elektronik kabuklar, c) enine kesitin ortamın Z'sine bağımlılığı.

Şekil 3.2. Fotoelektrik etkinin etkin kesitinin foton enerjisine bağımlılığı

a) Şekil 3.2, fotoelektrik etkinin etkin kesitinin foton enerjisine bağımlılığını göstermektedir. Foton enerjisi atomdaki elektronların bağlanma enerjisine kıyasla büyükse, foton enerjisinin artmasıyla fotoelektrik etkinin φ kesiti hızla azalır. ben için<< hν < m e c 2 σ ф ~ (hν) -3.5 .
hν > m e c 2 σ f ~ (hν) -1 olduğunda.
hν azaldıkça, yani. Elektron bağlanabilirliği I k /hν arttıkça, foton enerjisi I k enerjisine eşit olana kadar sürecin enine kesiti hızla büyür. hv için< I k фотоэффект на K-оболочке атома станет невозможным, сечение фотоэффекта будет определяться только взаимодействием фотонов с электронами L, М и др. оболочек. Но эти электроны связаны с ядром слабее, чем
K-elektronları. Bu nedenle, ne zaman eşit enerjiler fotonlar, L-elektronları üzerinde bir fotoelektrik etki olasılığı, K-elektronlarından çok daha azdır. σ f'ye (hν) bağlı olarak, gözlenecek ani sıçrama. sonra
hv< I k снова σ ф начинает расти с убыванием hν, так как возрастает относительная связность электрона L/hν, и т.д.
b) Kuantum elektrodinamiği yöntemleriyle elde edilen ve deneyle doğrulanan K-elektronları üzerindeki fotoelektrik etkinin kesiti için formüller:

Fotoelektrik etkinin farklı kabuklar üzerindeki enine kesit oranları aşağıdaki gibi elde edilir:

Bu nedenle, fotoelektrik etkinin toplam kesiti hesaplanırken genellikle şu ilişki kullanılır:

c) Aynı formülden, σ f'nin ortamın Z'ye güçlü bir bağımlılığı görülebilir: σ f ~ Z . Bu anlaşılabilir bir durumdur, çünkü hafif elementlerde elektronlar, çekirdeğin Coulomb kuvvetleri tarafından ağır elementlere göre daha zayıf bağlanır. Ağır maddelerde fotoelektrik etki Temel sebep yumuşak fotonların emilimi.
Fotoelektronların açısal dağılımı, diferansiyel kesit formülünden hesaplanarak elde edilir. Bundan, fotoelektronların yönüne göre ~ cos 2 φ yasasına göre simetrik olarak dağıldığını takip eder. elektrik vektörü olay elektromanyetik dalga. Ek olarak, açısal dağılım esas olarak fotoelektron enerjisine bağlıdır. Göreceli olmayan durumda T e<< m е c 2 (β << 1) интенсивность фотоэлектронов максимальна в плоскости поляризации векторов и фотона, т.е. в плоскости, перпендикулярной направлению движения фотона. При больших энергиях Т е >me c 2 fotoelektronların yoğunluğunun maksimum olduğu açı azalır ve elektronların enerjisi ne kadar büyük olursa, foton hareketinin yönüne kıyasla ayrılma açıları o kadar küçük olur, açısal dağılım ileriye doğru uzar.

3.3. Compton etkisi

Fotonların madde ile etkileşimi, soğurulmadan saçılmalarına yol açabilir. Saçılma iki tip olabilir: 1) dalga boyunu değiştirmeden (uyumlu saçılma, Thomson, klasik) ve 2) dalga boyunu değiştirerek (tutarsız, Compton saçılımı).

1. Thomson saçılması hν ise olur< I i (λ ~10 -8 см). В этом случае атом воспринимается фотоном "как единое целое", и фотон обменивается энергией и импульсом со всем атомом. Так как масса атома очень велика по сравнению с эквивалентной массой фотона hν/c , то отдача в этом случае практически отсутствует. Поэтому рассеяние фотонов происходит без изменения их энергии, т.е. когерентно.
Saçılan radyasyon kaynağının, gelen radyasyonun etkisi altında rezonans titreşimlerine giren ve sonuç olarak aynı frekansta fotonlar yayan atomun bağlı elektronları olduğu düşünülebilir. Thomson saçılma kesiti, foton saçılım açısı 0'a bağlıdır:

σ(θ) = 0,5re 2 (l + cos 2 θ),

burada r e 2 = e 2 /m e c 2 = 2,8 10 -13 cm elektronun klasik yarıçapıdır. Tüm θ üzerinde integral alarak, toplam Thomson saçılması için enine kesit elde edilebilir. 1 elektron için hesaplanan Thomson saçılmasının etkin kesiti şuna eşittir:

σ T = (8/3)πr e 2 = 0.66 ahır,

burada σ T evrensel bir sabittir ve gelen radyasyonun frekansına bağlı değildir.

2. Compton saçılması hν >> I i olduğunda gerçekleşir. Bu durumda, atomun tüm elektronları serbest olarak kabul edilebilir.

Compton saçılması, bir fotonun bir elektronla esnek bir şekilde çarpışmasının bir sonucu olarak meydana gelir ve foton, enerjisinin ve momentumunun bir kısmını elektrona aktarır. Bu nedenle, fenomenin enerji ve açısal özellikleri, elastik bir etki için enerji ve momentumun korunumu yasalarıyla tamamen belirlenir (Şekil 3.3):

hν = hv " + T e,

nerede ve geri tepme elektronunun kinetik enerjisi ve momentumudur.

Bu denklemlerin ortak çözümü, saçılan fotonun hν enerjilerini elde etmeyi mümkün kılar. " ve foton saçılma açısına bağlı olarak elektron Te geri tepme:

Bu ilişkilerden bir takım önemli sonuçlar çıkmaktadır.

1. İlk bağıntıdan, Compton saçılması sırasında elektromanyetik dalga boyunun ne kadar değiştiğini bulmak kolaydır (Compton formülü):

burada λ 0 \u003d h / m e c \u003d 2.426 10 -10 cm elektronun Compton dalga boyudur. Compton formülünden şu sonuç çıkar:

A) dalga kayması Δλ dalga boyunun büyüklüğüne bağlı değildir; b) kayma Δλ, sadece foton saçılma açısı θ tarafından belirlenir: θ = 0 Δλ = 0'da (yani saçılma yok), θ = π/2 Δλ = λ 0'da ve θ = π'de, Δλ = 2λ 0 (maksimum a olası kayma, geri saçılma sırasında meydana gelir).

2. Bir monoenerjetik γ-kuanta demetinin Compton saçılmasının bir sonucu olarak elde edilen fotonların enerji spektrumunun, enerji aralığında sürekli olduğu ortaya çıktı.

θ = π'de hν max = hν'da θ = 0'da.

3. Monoenerjetik γ-kuantanın Compton saçılmasının bir sonucu olarak, aralıkta geri tepme elektronlarının sürekli bir enerji spektrumu elde edilir.

T e min = 0'da θ = 0'a kadar θ = π için.

4. Saçılan fotonun θ kaçış açıları ve geri tepme elektronu φ arasındaki ilişki (Şekil 3.3), boyuna ve enine bileşenler için yazılan momentum korunum yasasından (birincil fotonun hareket yönüne göre) bulunabilir. :

İkinci denklemi dönüştürelim:

Buradan şunu buluyoruz:

0 ≤ θ ≤ π aralığında foton saçılma açısındaki bir değişikliğin, π/2 ≥ φ ≥ 0 aralığındaki bir geri tepme elektronunun emisyon açısındaki bir değişikliğe karşılık geldiği, elde edilen ilişkiden görülebilir. birincil foton .
Compton saçılması için diferansiyel etkin kesit ilk önce O. Klein ve I tarafından hesaplandı. 1929'da Nishina ve 1930'da I.E. Tamm aynı formülü farklı bir şekilde elde etti. Klein-Nishina-Tamm formülü şu şekildedir:

burada dσ K /dΩ katı açı dΩ içine bir θ açısında foton saçılmasının diferansiyel etkin kesitidir ve r e klasik elektron yarıçapıdır. hν değerlerini değiştirdikten sonra " Compton saçılımının diferansiyel kesitinin sadece hν ve θ'ye bağımlılığı elde edilir ve kesitin θ'ye bağımlılığının şekli foton enerjisiyle değişir. Küçük hν değerleri için:
dσ K /dΩ ~ 1 + cos 2 θ. hν arttıkça, artan sayıda foton "ileri" yönde saçılır ve birincil enerji hν'daki artışla, küçük açılarda saçılma olasılığı artar (Şekil 3.4).
Toplam kesit, tüm θ üzerinde entegrasyondan sonra bulunur:

burada σ T = (8π/3)r e 2 Thomson saçılma kesitidir ve ƒ(hν/m e c 2)< 1 и возрастает с увеличением hν.
Küçük hν değerleri için (IK<< hν/m e c 2 <<1), σ K ~ σ T (1 − 2hν/m e c 2) → σ T, azalan hν ile.

Ortamın 1 cm'sinde Zn elektronları bulunduğundan, maddede (Z, A, ρ) 1 cm'lik bir yolda Compton saçılmasının toplam olasılığı şöyle olacaktır:

Bu nedenle, yolun 1 cm'si başına Compton saçılması olasılığı, foton enerjisiyle ters orantılı ve maddenin Z'si ile orantılıdır (1 elektron başına kesit, maddenin Z'sine bağlı değildir ve her atom Z içerir. elektronlar). Şekil 3.5, foton enerjisine karşı σ K /σ T grafiğini göstermektedir. Bu şekil, aynı birimlerde çeşitli maddelerdeki fotoelektrik etkinin kesitini göstermektedir. Bağımlılıkların karşılaştırılması, foton enerjisindeki bir artışla, Compton etkisinin olasılığının fotoelektrik etkinin kesitlerinden çok daha büyük hale geldiğini göstermektedir.

Şekil 3.5. 1 elektron (C, Al, Cu ve Pb için noktalı çizgi) cinsinden Compton saçılımının toplam enine kesitlerinin (düz eğri) ve fotoelektrik etkisinin foton enerjisine bağımlılığı

Compton saçılması sadece elektronlarda değil, aynı zamanda elektrik yükü olan diğer parçacıklarda da meydana gelebilir. Ancak, böyle bir etkinin olasılığı çok düşüktür. Örneğin, atom çekirdekleri üzerindeki Compton saçılımı, çekirdeklerin klasik elektromanyetik yarıçaplarının çok küçük bir değerine sahip olması nedeniyle ihmal edilebilir düzeydedir Ze 2 /m s 2 .
Ters Compton etkisi adı verilen başka bir fenomen var. Relativistik elektronlar tarafından fotonların elastik saçılması sırasında meydana gelir. Bu durumda, hedef elektronların enerjisi ve momentumu nedeniyle fotonların enerjisi ve momentumu artacaktır.

3.4. Elektron-pozitron çiftlerinin doğuşu

Yeterince yüksek bir foton enerjisinde (hν > 2m e c 2), çekirdek alanında bir fotonun emildiği ve bir elektron ve bir pozitronun doğduğu çift oluşumu süreci mümkün hale gelir. QED ile yapılan hesaplamalar ve deneyimler, bu sürecin çekirdeğin içinde değil, yakınında, Compton dalga boyu λ 0 = 2.4 10 -10 cm büyüklüğünde bir bölgede meydana geldiğini göstermektedir. çekirdek bir elektron ve pozitron üretir, o zaman bu işlemin bir enerji eşiği vardır, yani. hν > 2m e c 2 ise oluşur. Enerji ve momentumun korunumu yasaları şu şekilde yazılabilir:

hν = 2m e c 2 + Т - + Т + + Т i,

burada β - ve β + elektron ve pozitronun göreli hızlarıdır, T - ve T + onların kinetik enerjileridir ve Ti ve pi geri tepme çekirdeğinin enerjisi ve momentumudur.
Enerji ve momentumun korunumu yasalarına dayanarak, boşlukta bir foton tarafından bir elektron-pozitron çiftinin oluşumunun imkansız olduğu gösterilebilir: enerji ve momentum zorunlu olarak üç parçacık arasında dağıtılmalıdır: bir elektron, bir pozitron ve örneğin, bir çekirdek. Bir çiftin doğumunun bir boşlukta gerçekleşebileceğini varsayarsak (T i = p i = 0), o zaman korunum yasaları şu şekli alır:

hν = 2m e c 2 + Т − + Т + ve

Bu denklemlerden ilki şu şekilde yazılabilir:

ve ikinci denklemle uyumsuzluğu hemen ortaya çıkıyor.
T − = T + = 0 olduğu özel durumda, bir çelişkili denklem sistemi elde edilir: hν = 2m e c 2 ve
hν/c = 0. Bu nedenle, korunum yasalarının yerine getirilmesi için, alanında çift üretim sürecinin gerçekleştiği ve aşırı momentumu alan üçüncü bir parçacığa ihtiyaç vardır. Böyle bir parçacık sadece bir çekirdek değil, aynı zamanda örneğin bir elektron da olabilir. Ancak T i \u003d p i 2 / 2m i çekirdeği küçük bir değerse, elektron çok büyük bir geri tepmeye sahip olacak ve geri tepme elektronu çiftin bileşenleri ile aynı derecede enerji alabilir. Bu durumda, işlem eşiği 2m e c 2'yi önemli ölçüde aşacaktır. Elektron alanında çift oluşumu için eşik foton enerjisi 4m e c 2 =2.044 MeV'dir.
Çift üretim kesitinin γ-ışını enerjisine bağımlılığının teorik hesaplamaları, oldukça karmaşık bir forma yol açar. Ancak, 5m e c 2 enerji aralığı için< hν < 50m e c 2 эта зависимость может быть представлена в виде:

foton enerjisinde hν< 5m e c 2 и hν >50m e c 2 kesit daha yavaş büyür. hν > 50m e c 2 için, enine kesitin büyümesi, çekirdeğin Coulomb alanının atomik elektronlar tarafından taranmasıyla sınırlandırılır. Sınırlayıcı rölativistik durumda, hν > 10 3 m e c 2 için, kesit enerjiye bağlı değildir:

σ P ~ 0.08 Z 2 r e 2 = 0.63 10 -26 Z 2 cm 2.

Kesitin foton enerjisine bağımlılığının genel karakteri, Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.6.

Şekil 3.6. Çift üretiminin enine kesitinin foton enerjisine bağımlılığı

Çift üretim süreci, bremsstrahlung sürecine benzer. Bu nedenle, bu iki süreci tanımlayan ifadeler yapılarında çok benzerdir: tam tarama durumunda, E enerjili bir fotonun olasılığı " = hν 1 cm'lik bir yol üzerinde (E, E + dE) aralığında E enerjili bir elektron ve (E) enerjili bir pozitron oluşturur. " - E) şunları yapacaktır:

Çift oluşma olasılığı elektron E ve pozitron E'nin enerjisine bağlı değildir. " − E ve bu anlaşılabilir, çünkü oluşum sürecinde foton kaybolur ve çiftin bileşenleri arasında enerji dağılımı eşit derecede olasıdır. w n bilen biri bulabilir tam olasılık 1 cm'lik yolda çift oluşumu:

Bu nedenle, tam tarama durumunda, toplam çift üretim kesiti foton enerjisine bağlı değildir.

3.5. Fotonların madde ile etkileşiminin diğer süreçleri

1. Nükleer fotoelektrik etki - bir γ-kuantumun bir çekirdek tarafından emilmesi ve bir nükleonun emisyonu, yani. (γ,n)-reaksiyonu. Nükleer fotoelektrik etkinin eşiği -6-10 MeV'dir, yani. çekirdeklerdeki nükleonların bağlanma enerjisinin sırası. Nükleer fotoelektrik etkinin kesiti σ yf ~ Z ve dikkate alınan üç etkinin kesitlerinden büyüklük olarak çok daha küçüktür.

2. Fotonların enerjisi, çekirdeklerdeki nükleonların bağlanma enerjisinden çok daha büyükse, birkaç parçacığın emisyonu ile çekirdeklerin foto parçalanması meydana gelebilir. Örneğin (γ,2р), (γ,n,2р) tepkimelerdir. Böyle bir işlemin kesiti σ i ~ 10 -26 cm'dir.

3. hν > 2m μ s 2 ise, yani. hν > 200 MeV, daha sonra çekirdek alanında γ-kuanta, e - e + -çiftlerine benzer şekilde μ − μ + -çiftleri oluşturabilir.

4. hν > m π с 2 ise, yani. hν >140 MeV, ~10 -28 A cm2 kesitli pionların fotojenerasyonu meydana gelebilir.

Bu nedenle, listelenen tüm işlemlerden dolayı γ-kuantanın absorpsiyonu, σ P ile karşılaştırıldığında ihmal edilecek kadar küçüktür.

3.6. Fotonların madde ile etkileşimi için toplam kesit

Maddeden geçerken foton akısının zayıflaması esas olarak üç süreçle belirlenir: fotoelektrik etki, Compton etkisi ve atom çekirdeğinin Coulomb alanında çiftlerin oluşumu. Sonuç olarak, J = J0 e -σnx formülünde, o bölümü, bu süreçlerin bölümlerinin toplamıdır:
σ = σ f + σ K + σ P ve lineer ve kütle absorpsiyon katsayıları sırasıyla:
τ = σn = τ f + τ K + τ P ve μ = σn/ρ = μ f + μ K + μ P. Terimlerin her biri, maddenin foton enerjisine ve özelliklerine farklı şekilde bağlıdır, dolayısıyla bireyin göreceli rolü terimler büyük ölçüde değişebilir. Bu nedenle, alüminyumda (Şekil 3.7), 50 keV'lik geniş bir foton enerji aralığında< hν <15 МэВ преобладает комптон-эффект, а при hν >15 MeV - çift üretimi. Ancak kurşunda fotoelektrik etki (Şekil 3.7) 0,5 MeV'lik bir enerjiye kadar baskındır ve hν >5 MeV için çift üretim süreci ana rolü oynar.

Şekil 3.7. Fotonların kütle absorpsiyon katsayısının alüminyum, bakır ve kurşundaki enerjilerine bağımlılığı

Sonuç olarak, önemli bir duruma dikkat edilmelidir: fotonların madde ile her üç etkileşimi türü de hızlı elektronların ortaya çıkmasına neden olur.

3.7. Maddede pozitron yok oluşu

"Yok olma" kelimesi "yok olma", "hiçliğe dönüşme" anlamına gelir. Bu, bir parçacığın ve onun antiparçacığının elektromanyetik radyasyona (fotonlar) veya diğer temel parçacıklara (leptonlar, kuarklar) dönüştürüldüğü bir süreçtir. Bu, çiftlerin γ-kuanta ile üretilmesinin tersi bir süreçtir. Her iki süreç de basitçe karşılıklı dönüşümlerdir.
Bu karşılıklı dönüşümler, temel korunum yasaları tarafından kontrol edilir: enerjinin korunumu yasası, momentum, açısal momentum, elektrik yükü, vb.
Parçacık yaratma ve yok etme süreçleri teorik olarak 1931'de P.A. Dirac. Yarattığı elektron teorisinden yola çıktılar. Dirac'a göre, birleştirmek Kuantum mekaniği(o zamana kadar deneyle zaten doğrulandı) görelilik teorisi ile ancak, pozitif enerjili bir elektronun durumuyla birlikte, negatif enerjili bir elektronun (veya pozitif enerjili bir pozitif "elektron"un) durumunu tanıtırsak mümkündür. ).
1932 yılında K.D. Anderson, manyetik bir alana yerleştirilmiş bir bulut odası kullanarak kozmik ışınların bileşimini araştırarak, pozitronun varlığına dair deneysel kanıtlar elde etti ( Nobel Ödülü, 1936). Parçacık izinin eğriliğinin işareti ile parçacığın pozitif olduğu ve eğrilikteki değişiklik (6 mm kurşunu geçtikten sonra) ve yoldaki tanelerin yoğunluğu ile parçacığın kütlesi ve momentumu bulundu. parçacık belirlendi. 1933'te Frederic ve Irene Joliot-Curie ilk olarak bir gama kuantum tarafından üretilen elektron ve pozitron izlerine sahip bir bulut odasının fotoğrafını elde ettiler ve aynı yıl F. Joliot-Curie ilk olarak elektronların ve pozitronların yok oluşunu gözlemledi. iki fotona dönüşür.
Pozitron yok edilmesi nasıl gerçekleşir? Hızlı pozitronlar maddeye girdikten sonra elektronlarla aynı şekilde davranırlar, yani. T e > ε'de ışınımsal sürüklenme yaşarlar ve T e'de< ε − ионизационные потери и, как правило, почти полностью теряют свою скорость. В дальнейшем начинается их диффузия в веществе до встречи со свободными или связанными в атомах электронами и последующая аннигиляция позитронов. Перед аннигиляцией обе частицы (электрон и позитрон) чаще всего находятся в состоянии, когда их моменты количества движения равны нулю (S-состояние). Daha fazla kader bunlar momentumun iç momentlerinin (spinler) karşılıklı yönelimine ve elektronun serbest mi yoksa bağlı durumda mı olduğuna bağlıdır.
Elektron ve pozitron karşılaştığında, toplam enerji dinlenme enerjisi de dahil olmak üzere, neredeyse tamamen elektromanyetik radyasyon enerjisine dönüştürülür (çiftlerin doğuşuna zıt bir süreç) ve kısmen üçüncü bir cisme, örneğin çekirdeğe aktarılır. Bir atomun parçası olan bir elektron üzerinde pozitron yok oluşu meydana gelirse, o zaman bir fotonun oluşumu ile yok olma mümkündür, çünkü ortaya çıkan fotonun momentumu, atomun veya çekirdeğin geri tepmesi ile telafi edilecek ve momentumun korunumu yasası yerine getirilecektir. Bu durum için enerjinin ve momentumun korunumu yasaları şu şekilde yazılabilir: + = ∑ t /c.

Termal bir hıza yavaşlatılmış bir pozitron, örneğin bir metaldeki iletim elektronlarından biri veya bir atomun dış elektronlarından biri ile serbest bir elektronla yok olabilir. Elektron ve pozitronun yok olmadan önce hareketsiz olduğunu varsayarsak, korunum yasaları şu şekli alır:

2m e c 2 = ∑ t ve 0 = ∑ t /c,

yani Serbest bir elektron üzerinde yok olma, ancak en az iki foton aynı anda zıt yönlerde yayınlanırsa mümkündür. Her ikisi de yok edici parçacıklar ile büyük ihtimalle S-durumundaysa, yok etmenin sonucu, parçacıkların iç momentumunun karşılıklı yönelimine bağlı olacaktır, yani. onların dönüşleri.
Bir elektronun ve bir pozitronun dönüşleri zıt yönlerde (+1/2ћ ve -1/2ћ) yönlendiriliyorsa ve sonuç olarak toplam dönüşleri sıfır ise, o zaman yok olma sonucunda (korunma yasasına göre) şarj paritesi), yalnızca dönüşleri olan çift sayıda foton , aynı zamanda zıt yönlere yönlendirilir, çünkü her fotonun dönüşü l ћ'ye eşittir. Yok olma olasılığı w ~ α n olduğundan, burada n fotonların sayısıdır, iki fotonun doğması en muhtemeldir (w ~ α 2) - sözde iki foton imhası , daha az olası - dört foton (w ~ α 4), vb.
Elektronun ve pozitronun momentumu sıfıra yakın olduğundan, toplam dürtü sistemin de sıfıra eşittir ve sonuç olarak, yok olma sırasında oluşan fotonlar zıt yönlerde uçar ve her biri sistemin enerjisinin yarısını alır, yani. 0,511 MeV ile.
Bir elektronun ve bir pozitronun dönüşleri paralel ise, toplam dönüşleri 1 ћ'dir. Bu durumda, tek sayıda fotonun oluşumu mümkündür, büyük olasılıkla - üç, çünkü momentumun korunumu yasasının ihlali nedeniyle bir foton ortaya çıkamaz. Üç foton yok olma olasılığı ~ a 3 , yani. iki fotonlu olandan çok daha küçük (1/137 faktörü ile). Ortalama olarak, vakaların % (0,2 - 0,3) oranında üç foton yok oluşu meydana gelir.
İmha "anında" gerçekleşirse, yani. pozitronun henüz hızını kaybetmediği durumda, fotonlar belli bir açıyla saçılır ve foton genişleme açısı hızlarına bağlıdır. Yok edici pozitronların yüksek enerjilerinde, ortaya çıkan fotonlar ağırlıklı olarak pozitron hareketinin yönüne göre "ileri" ve "geri" olarak yayınlanır. İleriye doğru uçan bir foton, pozitronun enerjisinin çoğunu taşır. Geriye doğru uçan bir fotonun kesri minimum enerjiye sahiptir, yani 0,511 MeV. Bu nedenle, hızlı pozitronlar maddeden geçtiğinde, yüksek enerjili fotonların monokromatik ışınlarını elde etmek için kullanılan bir yönde uçan bir gama ışını ışını oluşur.
Pozitron kararlı bir parçacıktır, boşlukta süresiz olarak var olur, ancak maddede pozitron çok çabuk yok olur. Bir pozitronun yok olma sürecine göre ortalama ömrü katılar balta τ ~ 10 -10 s ve normal koşullar altında havada τ ~ 10 -5 s.
Bazen yok olma, bir elektron ve bir pozitronun bağlı durumunun oluşumu yoluyla bir ara aşamadan geçer. pozitronyum . Pozitron ve elektronun dönüşlerinin antiparalel (parapositronium) olduğu pozitronyum, bir ömür boyu iki gama kuantasına dönüşür.
τ ~ 1.25 10 -10 sn. Paralel parçacık dönüşlü pozitronyum (orthopositronium), ömrü τ ~ 1.4·10 -7 s olan üç gama kuantası üretir.
Pozitron yok etme fenomeni artık özellikleri incelemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. temel parçacıklar. Hızlandırıcı odasının vakumunda çarpışan pozitron ve elektron ışınlarında, kesin olarak tanımlanmış bir enerjinin serbest bırakıldığı bir yok olma süreci meydana gelir. Nokta etkileşimi ve enerjisinin bilgisi, kuarkların varlığını kanıtlamak ve kütlelerini belirlemek için kullanılır.

3. bölüm için sorular ve görevler

1. 2,9 cm kalınlığındaki bir alüminyum levhadan geçen monokromatik bir foton ışını 2,6 faktörü ile zayıflatılır. τ, μ ve σ'yı belirleyin.

Şimdiye kadar, nötrino fotona çok benziyordu. Bir foton gibi, bir nötrino yüksüzdür, kütlesi yoktur ve her zaman ışık hızında hareket eder. Her iki parçacığın da spini vardır. Foton dönüşü +1 veya -1 iken, nötrino dönüşü +1/2 veya -1/2'dir (fark çok önemli değildir). Bununla birlikte, aralarında aşağıdaki akıl yürütmenin anlamamıza yardımcı olacağı ilginç ve hatta şaşırtıcı bir fark vardır.

Zamanda tersine dönmüş iki olayı izleyelim. Topu tutan kişinin, diyelim ki güneye atmasına izin verin. Top bir kişiye yaklaşırsa, hareket ters yön, adam elini kaldırır ve yakalar. İlk durumda, olayların sırası şöyleydi: 1) kişi topu tutuyor, 2) kişi topu atıyor, 3) top güneye uçuyor. Zamanı tersine çeviren hareket farklı bir olay dizisine sahipti: 1) top kuzeye uçar, 2) kişi topu yakalar, 3) kişi topu tutar. Bütün bunlar, önce bir yöne, sonra ters yöne kaydırılan bir filmi çok andırıyor.

Bu prensibi atom altı dünyaya aktarmaya çalışalım.Bir atomdaki bir elektron uyarılmış halden daha az uyarılmış bir duruma geçerse, dalga boyu iki uyarılmış durum arasındaki enerji farkına bağlı olan bir görünür ışık fotonu yayar. atomun. Aynı atom, tamamen aynı dalga boyuna sahip bir fotonu emebilir veya "yakalayabilir" ve elektron daha az uyarılmış bir durumdan daha uyarılmış bir duruma geçecektir. Her atom türü (uyarılmış durumlarının enerjisine bağlı olarak) belirli dalga boylarında fotonlar yayar ve doğru koşullar altında tamamen aynı dalga boylarına sahip fotonları emer.

Yine de doğrudan ve zamanla ters çevrilmiş bir olay arasındaki fark, yalnızca yön ve sıradaki bir değişiklik değildir. Topu yakalamak, atmaktan daha zordur. Topu fırlatarak, hareket ettirilemeyen bir nesneyi harekete geçirirsiniz ve her şey sadece size bağlıdır. Zamanla, topu daha iyi alabilirsin, dikkatli nişan alabilirsin vs. Topu yakaladığında hareketli bir cisimle uğraşmak zorundasın ve esnemeye vakit kalmıyor. Top yaklaşırken, top bir saniyeden daha kısa bir süre boyunca erişimde kalacağı için hızlı bir şekilde tutulmalıdır. O kısacık saniyede, kolunuzu tam olarak topun yönünde uzatıp durdurmak için zamanınız olmalı. Eğer kaçırırsanız, top uçup gidecek.

Aynı şey, bir foton yayan bir atom için de olur. Böyle bir atom, ortalama olarak yaklaşık 10-8 olan bir sürede bir foton yayar. sn. Sonuç olarak atom deyim yerindeyse kendi zamanını yönetir ve uygun olduğunda bir foton yayar.

Aynı fotonu absorbe etmek için bir atomun 10 -8 saniye, bu, olayların tersine çevrilebilirliğinin doğal bir sonucudur. Ancak bir atom, bir fotonu fazla sorun yaşamadan soğuramaz. Foton ışık hızında hareket eder ve tüm zaman aralığı boyunca atomun yakınında kalmaz 10 -8 sn. Böyle bir süre boyunca, bir ışık fotonu ortalama 300 santimetre. Bazı fotonlar daha büyük bir mesafe kat edebilir, diğerleri daha az. Atomların fotonları yakalamasının neden genellikle çok zor olduğu açıktır: sonuçta bir atomun boyutu bu mesafeden çok daha küçüktür! (Benzer şekilde, basketbolcular çok hızlı giden topları yakalamakta zorlanırlar.) Ancak tesadüfen bir atom bir fotonu yakalayabilir ve emebilir.

Yukarıdakilerin tümü, fotonun içsel boyutlarının olmadığını varsayar; aslında oldukça büyük olmasına rağmen. Görünür ışığın tipik bir fotonu yaklaşık 1/20.000 dalga boyuna sahiptir. santimetre. Bu uzunlukta, yaklaşık bin atom bir sıraya sığar. Görünür ışığın bir fotonu, çapı bir atomun çapından bin kat daha büyük ve hacmi bir atomun hacminin 1.000.000.000 katı olan bir tür küre olarak düşünülebilir. Herhangi bir zamanda, bir ışık fotonu, biri onu yakalamayı ve emmeyi başaran yaklaşık bir milyar atomla temas eder.

Bu nedenle, bir fotonun soğurulmadan önce maddeye nüfuz ettiği derinlik 300 değildir. santimetre, ve bir milyar kat daha az, yani 3 10 -7 santimetre.

Bu mesafede, arka arkaya 10-15'ten fazla atom sığmaz. Bu, absorpsiyon anından önce bir ışık fotonunun, 10-15 atomik katmandan daha derin olmayan maddeye nüfuz ettiği anlamına gelir. 10-15 atomluk bir kalınlık, sıradan ölçeklerde sadece önemsiz bir değerdir, bu nedenle çoğu katı, ince filmler biçiminde bile, ışığa karşı opaktır (ancak altın folyo şeffaf hale gelecek kadar ince yapılabilir).

Işığın dalga boyu ne kadar kısa olursa, foton o kadar küçük olur, herhangi bir zamanda onunla temas halinde olan atomlar o kadar az olur ve bu nedenle, soğurulmadan önce madde içinde o kadar uzun yol alır. Bu nedenle ultraviyole ışığın insan derisine daha derinden nüfuz etmesidir. görülebilir ışık; röntgen serbestçe geçmek yumuşak dokular cisimler ve yalnızca kemiklerin daha yoğun maddesi tarafından durdurulur; a?-ışınları yoğun maddeye birçok santimetre boyunca nüfuz eder. (Elbette, görünür ışık, çoğu sıvıdan bahsetmeden, cam veya kuvars gibi maddelerde önemli bir mesafe kat eder, ancak bunların hepsi ayrı hususlardır.)

Şimdi yukarıdakilerin hepsini nötrinolar ve antinötrinolarla ilgili olarak kullanmaya çalışalım. Bir proton, bir elektron ve bir antinötrino oluşumuyla sonuçlanan nötron bozunma reaksiyonunu bir kez daha yazalım:

P> p++ e -+ "?.

Uygun koşullar altında, bir elektronu ve bir antinötrinoyu yakalayan bir protonun bir nötron haline geldiği ters işlemin mümkün olduğunu varsayalım. O zaman geri bildirim şöyle görünür:

p++ e -+ "? > P.

Doğal olarak, protonun elektronu ve antinötrinoyu aynı anda yakalaması gerekir, bu da olasılığı büyük ölçüde azaltır. başarılı tamamlama işlem. (Bu, bir basketbolcudan aynı anda iki topu tek eliyle yakalamasını ve ona farklı yönlerden uçmasını istemekle eşdeğerdir.)

Görevi basitleştirmek için çağırma sırasını değiştiriyoruz. Bir elektronu emen herhangi bir işlem, bir pozitron üreten bir işlemle değiştirilebilir. (Benzer bir kural cebirde vardır: -1'i çıkarmak +1 eklemekle aynıdır.) Başka bir deyişle, bir elektron ve bir antinötrinoyu aynı anda emmek yerine, bir proton bir antinötrinoyu emebilir ve bir pozitron yayabilir:

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

Reaksiyonun bu varyantı ile korunum yasaları karşılanır. Protonun yerini bir nötron (her ikisi de +1 baryon numaralı) ve antineutrinonun yerini bir pozitron (her ikisi de -1 lepton numaralı) aldığından, baryon ve lepton sayısının korunumu yasaları geçerlidir.

Geriye bir antinötrinonun bir proton tarafından soğurulma olasılığını düşünmek kalıyor. nötron yarı ömrü 12.8 dakika, bireysel nötronlar bozunmak için 12.8'den fazla veya daha az gerektirse de dk. Sonuç olarak, bir antinötrino bir proton tarafından yakalandığında ve bir pozitron yayıldığında bir nötron oluşumu için ortalama 12.8 dk. Başka bir deyişle, bir antineutrino bir proton tarafından ortalama 12.8 oranında emilir. dk.

Ancak nötrinolar ışık hızında ve 12.8'de hareket ederler. dk 2,3 10 8 mesafe kateder km(yani, Güneş'ten Mars'a olan mesafeye yaklaşık olarak eşit bir yol). Bir antinötrinonun, hacminin bir fotonun hacmine eşit olduğunu varsaysak bile, soğurulmadan önce katı madde içinde bu kadar büyük bir mesafe kat edebileceğine inanmak zor. Ama aslında, antinötrinolar bir atomdan çok daha küçüktür.

Gerçekte durum çok daha karmaşıktır.Fotonlarda soğurma, atom hacminin büyük bir bölümünü kaplayan elektronlar nedeniyle gerçekleşir ve katı bir maddede atomlar birbirine sıkıca bitişiktir. Antinötrinolar, içinde bulunan protonlar tarafından emilir. atom çekirdeği atomun çok küçük bir kısmını kaplayan Bir katının içinden uçan bir antinötrino, çok nadiren küçük bir çekirdekle çarpışır. Antinötrino atomun içinde bulunduğu zamanın yalnızca yüz milyonda biri için, protona o kadar yakındır ki, ikincisi onu yakalayabilir. Bu nedenle, bir antinötrino'nun bir proton tarafından yakalanma şansının olması için, katı madde içinde 230.000.000'den yüz milyon kat daha uzun bir yol kat etmesi gerekir. km. Ortalama olarak, bir antinötrino'nun absorbe edilmeden önce kurşunda yaklaşık 3.500 ışıkyılı seyahat etmesi gerektiği bulundu.

Doğal olarak, evrenin hiçbir yerinde 3.500 ışıkyılı kalınlığında bir kurşun tabakası yoktur. Evren, uzayda son derece seyrek dağılmış bireysel yıldızlardan oluşur ve herhangi bir yıldızın çapı milyonda birinden çok daha azdır. ışık yılı. Çoğu yıldız, kurşundan çok daha az yoğun maddeden yapılır. Bunun istisnası, nispeten küçük bir yıldız çekirdeğinin süper yoğun maddesidir. (Evrende ayrıca süper yoğun yıldızlar da vardır, ancak bunlar çok küçüktür. daha fazla gezegen.) Ancak yıldızların aşırı yoğun kısımları bile antinötrinoları durduramaz. Evrende herhangi bir yönde uçarken, antinötrinolar çok nadiren bir yıldızın içinden geçerler ve daha da nadiren onun süper yoğun çekirdeğinden geçerler. Görünür evrenin bir ucundan diğer ucuna uçan antinötrinonun içinden geçtiği yıldız maddesinin toplam kalınlığı, bir ışık yılından çok daha azdır.

Burada antinötrinolar hakkında söylenen her şey, elbette, nötrinolar için geçerlidir ve bu nedenle, nötrinoların ve antinötrinoların pratikte emilmediği iddia edilebilir. Bir kez atom altı bir süreçte ortaya çıktıklarında, her zaman hareket halindedirler ve etraflarındaki her şeyden herhangi bir değişiklik ve etkiye maruz kalmazlar. Zaman zaman emilirler, ancak emilen nötrinoların sayısı, halihazırda var olan ve yeni ortaya çıkan çok sayıdaki nötrinolarla karşılaştırıldığında ihmal edilebilir düzeydedir. Modern bilgi, Evren'in yaşamı boyunca ortaya çıkan neredeyse tüm nötrinoların ve antinötrinoların bugüne kadar var olduğunu güvenle söylememizi sağlar.

Yukarıdaki sonuç çok iyi bir haber değildi. Bir fizikçi ne kadar nötrinoların ve antinötrinoların varlığının gerekliliğini koruma yasalarından çıkarsa da, ancak doğrudan gözlem yoluyla gerçekten küçük parçacıkları keşfettiğinde gerçekten mutlu olacaktır. Ama onların varlığını ispatlamak için önce en az bir parçacığı yakalaması, yani bu etkileşimin sonucunun tespit edilebilmesi için onu başka bir parçacıkla etkileşime sokması gerekir. Ve nötrinoları veya antinötrinoları yakalamak gerçekten imkansız olduğundan, varlıklarının gerçekliği konusunda ciddi bir şüphe vardı!

Sonuç olarak, fizikçi, kabul edilmesi gereken bir şeyin varlığında ısrar ederek, üç yüzyıl boyunca gelişen evrenin yapısı hakkındaki anlayışını kurtardı. Teorilerine dayanarak nötrinoların varlığını ispatlamış ve nötrinoların varlığını ileri sürerek teorilerini kurtarmıştır. ortaya çıktı" kısır döngü". Şüphe ve belirsizlik nedenleri kaldı. Mümkünse, nötrinoları veya antinötrinoları tespit etmek için bir yöntem geliştirmek son derece önemliydi.

Zor nötrinonun neredeyse aşılmaz zırhındaki bir yarık "ortalama" kelimesiyle delinmişti. Bir antinötrinonun absorbe edilmeden önce ortalama olarak 3.500 ışıkyılı kalınlığındaki katı bir kurşun tabakasından geçtiğini söyledim. Ama bu sadece ortalama. Bazı antinötrinolar daha kısa, diğerleri daha uzun bir yol alabilir ve sadece birkaçı ya çok küçük ya da çok soğurulmaya gider. uzun mesafe. Bu nedenle, laboratuvarda kolayca oluşturulabilecek bir madde kalınlığında (örneğin birkaç metre) emilen antinötrinoların sonsuz küçük fraksiyonuna odaklanmak gerekir. Bu sonsuz küçük yüzdeyi içermesi için daha fazla antineutrino, bu parçacıkların çok güçlü bir kaynağına sahip olmak gerekir. Böyle güçlü bir antinötrino kaynağı nükleer reaktör. Reaktörde üretilen fazla nötronlar er ya da geç protonlara, elektronlara ve antinötrinolara bozunur. Reaktör tam kapasitede çalıştığında, sürekli olarak çok sayıda antinötrino üretilir. 1953 yılında grup Amerikalı fizikçiler Clyde Cowan ve Frederick Reines başkanlığındaki , antinötrinoların kaydı üzerine deneylere başladı. Parçacık kaynağı olarak Güney Carolina, Savannah Nehri'nde bir nükleer reaktör kullandılar. Bu reaktör her saniye yaklaşık 10 18 antinötrino yayar.

Pirinç. 7. Antinötrino tespiti.

Bu kadar çok sayıda antinötrino için protonlardan zengin bir hedef yaratmak gerekiyordu. En basit doğal hedef sudur. Her su molekülü, çekirdeği proton olan iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomundan oluşur. Cowan ve Reines beş tank su kullandı 1.9 m ve genişlik 1.4 m. Tankların kalınlığı farklıydı (Şekil 7). İki ince tank 7.6 yüksek santimetre hedef olarak kullanıldı. Diğer üç tank yüksekliği 60 santimetre dedektör görevi gördü. Tanklar şu sırayla yerleştirildi: dedektör - hedef - dedektör - hedef - dedektör. Hedef tanklardaki su, az miktarda çözünmüş kadmiyum klorür içeriyordu. Dedektör tankları, kısa bir ışık patlaması şeklinde bir atom altı parçacığı emdiğinde aldığı enerjinin bir kısmını yayan bir madde olan bir sintilatör çözeltisi içeriyordu. Böyle bir "çift sandviç" tank, reaktörden gelen antinötrino akışının yoluna yerleştirildi. Geriye kalan tek şey beklemekti. Antinötrinolar gerçekten varsa, her yirmi dakikada bir (ortalama olarak) bir tanesi bir proton tarafından absorbe edilmelidir. Ancak tanklar, gezegenler arası uzaydan gelen sürekli kozmik radyasyona maruz kaldı, havadaki az miktarda radyoaktif madde tarafından yayılan parçacıklar tarafından bombalandı. Yapı malzemeleri, toprak. Bütün zorluk, su tanklarının içinde meydana gelen olayların tüm bu arka planına karşı antinötrinoların emilimini ayırt etmekti.

İlk başta, istenmeyen atom altı "gürültü", antinötrino absorpsiyonunun saptanmasını engelledi. Yavaş yavaş, istenmeyen radyasyon ve parçacıklardan kurtulmak için giderek daha etkili koruma oluşturuldu. Elbette, hiçbir kalkan, hiçbir metal veya beton kalınlığı antinötrinoları durduramazdı ve sonunda “gürültü”, tesadüfen protonlar tarafından yakalanan çok nadir antinötrinoların zayıf “fısıltıları” tarafından artık gizlenmeyen bir düzeye indi. Ancak bu fısıltı henüz tespit edilememişti.

Bir antinötrino bir proton tarafından emildiğinde, bir nötron ve bir pozitron oluşur - ayırt edilmesi kolay bir parçacık kombinasyonu. Hedef tanklardan birinde bir pozitron oluşur oluşmaz, saniyenin milyonda birinden daha kısa bir sürede bir elektronla etkileşir ve her biri 0,51 enerjiye sahip iki foton üretilir. MeV. Momentumun korunumu yasasına göre, iki foton tam olarak zıt yönlerde saçılmalıdır: hedef tanktan biri üst dedektör tankına girerse, diğeri alt dedektör tankına düşmelidir. Her algılama tankında bir ışık parlaması meydana gelir. Bu flaşlar, su tanklarının etrafına yerleştirilmiş yüz veya daha fazla fotoçoğaltıcı tarafından anında otomatik olarak kaydedilir.

Ama nötrona ne olur? Genellikle (bir nötronu çok nadiren emen) su molekülleri arasında dolaşıp, ortalama 12.8'den sonra kendiliğinden bozunana kadar onlarla çarpışır. dk ortaya çıkmasından sonra. Bununla birlikte, çürüme birkaç dakika önce veya sonra meydana gelebileceğinden, bu kadar uzun süre beklemenin bir anlamı yoktur. Hedef tanktaki kadmiyum klorürün kurtarmaya geldiği yer burasıdır. Nötron, bir kadmiyum atomuyla çarpışana kadar dolaşır ve bu noktada neredeyse anında emilir. Bu, pozitronun yok edilmesinden sonra saniyenin birkaç milyonda biri kadar bir süre içinde gerçekleşir - bu süre oldukça kısadır ve yine de iki olayı zaman içinde ayırmak için yeterlidir: pozitronun yok edilmesi ve nötronun emilmesi. Bir nötron bir kadmiyum atomu tarafından emildiğinde, toplam enerjisi 9 olan üç veya dört foton şeklinde hemen yayılan enerji açığa çıkar. Mev.

Böylece, Cowen ve Reines aşağıdaki resmi gözlemledi: ilk olarak, 0,5 enerjili iki foton mev her biri, su tanklarının karşı taraflarında iki foto çoğaltıcı tarafından kaydedildi, ardından saniyenin birkaç milyonda biri sonra, 3 enerjili üç fotonun eşzamanlı üretimi mev her biri (bazen 2.25 enerjili dört foton mev her biri). Başka hiçbir atom altı etkileşim böyle bir olaylar dizisine yol açmamıştır. Ve eğer böyle bir olay akışı kaydedildiyse, protonun antinötrinoyu emdiği sonucuna varmak mantıklıydı, bu nedenle antinötrino gerçekten var.

Ama sonra deneycilerin temkinli zihinlerinde başka bir düşünce belirdi. Ama ya böyle bir olaylar dizisine bir atom altı etkileşimden değil, ikisinden kaynaklanıyorsa?

Bir şekilde bir pozitronun yaratıldığını ve saniyenin birkaç milyonda biri kadar sonra bir kadmiyum atomunun pozitrondan bağımsız olarak var olan bir nötronu emdiğini varsayalım. Bu durumda, iki ve sonra üç fotonun ortaya çıkması, bir etkileşimin (protonlu antineutrino) değil, tamamen ilişkisiz iki etkileşimin sonucu olacaktır. Cowan ve Reines ne tür bir etkileşim gözlemledi?

Deneyciler, önce reaktör çalışırken, sonra kapalıyken ölçümlerini yaparak sorunu çözdüler. Reaktör kapatılırsa, tanklara gürültü etki edecek ve bunların bir antinötrino akışı ile bombardımanı duracaktır. (Aslında, çevredeki uzayda her zaman antinötrinolar vardır, ancak sayıları, çalışan reaktörün yakınındaki antinötrinoların sayısından çok daha azdır.) Bu nedenle, reaktör kapatıldığında, çift tesadüfler kaydedilmeye devam edecek ve absorpsiyonun absorpsiyonu devam edecektir. antinötrinolar durur.

Reaktör kapalıyken, günde 70 olayın, reaktör açıkken olduğundan daha az kaydedildiği ortaya çıktı. Bu, günde 70 antinötrinonun emildiği ve kaydedildiği anlamına gelir (her yirmi dakikada bir). Deneyin sonuçları şüphesiz kanıt olarak kabul edilebilirdi ve 1956'da, Pauli'nin antinötrinoların varlığını ilk kez tahmin etmesinden yirmi beş yıl sonra, böyle bir parçacığın nihayet kaydedildiği bildirildi. Bir antinötrino tespit edilmiş olmasına rağmen, bu olaya genellikle "nötrino tespiti" denir. Bununla birlikte, fizikçiler antinötrinoyu "yakaladıktan" sonra, nötrinoların varlığının şüphe götürmez olduğuna inanıyorlar.

foton absorpsiyonu

Şimdiye kadar, nötrino fotona çok benziyordu. Bir foton gibi, bir nötrino yüksüzdür, kütlesi yoktur ve her zaman ışık hızında hareket eder. Her iki parçacığın da spini vardır. Foton dönüşü +1 veya -1 iken, nötrino dönüşü +1/2 veya -1/2'dir (fark çok önemli değildir). Bununla birlikte, aralarında aşağıdaki akıl yürütmenin anlamamıza yardımcı olacağı ilginç ve hatta şaşırtıcı bir fark vardır.

Zamanda tersine dönmüş iki olayı izleyelim. Topu tutan kişinin, diyelim ki güneye atmasına izin verin. Top ters yönde hareket ederek kişiye yaklaşırsa, kişi elini kaldırır ve onu yakalar. İlk durumda, olayların sırası şöyleydi: 1) kişi topu tutuyor, 2) kişi topu atıyor, 3) top güneye uçuyor. Zamanı tersine çeviren hareket farklı bir olay dizisine sahipti: 1) top kuzeye uçar, 2) kişi topu yakalar, 3) kişi topu tutar. Bütün bunlar, önce bir yöne, sonra ters yöne kaydırılan bir filmi çok andırıyor.

Bu prensibi atom altı dünyaya aktarmaya çalışalım.Bir atomdaki bir elektron uyarılmış halden daha az uyarılmış bir duruma geçerse, dalga boyu iki uyarılmış durum arasındaki enerji farkına bağlı olan bir görünür ışık fotonu yayar. atomun. Aynı atom, tamamen aynı dalga boyuna sahip bir fotonu emebilir veya "yakalayabilir" ve elektron daha az uyarılmış bir durumdan daha uyarılmış bir duruma geçecektir. Her atom türü (uyarılmış durumlarının enerjisine bağlı olarak) belirli dalga boylarında fotonlar yayar ve doğru koşullar altında tamamen aynı dalga boylarına sahip fotonları emer.

Yine de doğrudan ve zamanla ters çevrilmiş bir olay arasındaki fark, yalnızca yön ve sıradaki bir değişiklik değildir. Topu yakalamak, atmaktan daha zordur. Topu fırlatarak, hareket ettirilemeyen bir nesneyi harekete geçirirsiniz ve her şey sadece size bağlıdır. Zamanla, topu daha iyi alabilirsin, dikkatli nişan alabilirsin vs. Topu yakaladığında hareketli bir cisimle uğraşmak zorundasın ve esnemeye vakit kalmıyor. Top yaklaşırken, top bir saniyeden daha kısa bir süre boyunca erişimde kalacağı için hızlı bir şekilde tutulmalıdır. O kısacık saniyede, kolunuzu tam olarak topun yönünde uzatıp durdurmak için zamanınız olmalı. Eğer kaçırırsanız, top uçup gidecek.

Aynı şey, bir foton yayan bir atom için de olur. Böyle bir atom, ortalama olarak yaklaşık 10-8 olan bir sürede bir foton yayar. sn. Sonuç olarak atom deyim yerindeyse kendi zamanını yönetir ve uygun olduğunda bir foton yayar.

Aynı fotonu absorbe etmek için bir atomun 10 -8 saniye, bu, olayların tersine çevrilebilirliğinin doğal bir sonucudur. Ancak bir atom, bir fotonu fazla sorun yaşamadan soğuramaz. Foton ışık hızında hareket eder ve tüm zaman aralığı boyunca atomun yakınında kalmaz 10 -8 sn. Böyle bir süre boyunca, bir ışık fotonu ortalama 300 santimetre. Bazı fotonlar daha büyük bir mesafe kat edebilir, diğerleri daha az. Atomların fotonları yakalamasının neden genellikle çok zor olduğu açıktır: sonuçta bir atomun boyutu bu mesafeden çok daha küçüktür! (Benzer şekilde, basketbolcular çok hızlı giden topları yakalamakta zorlanırlar.) Ancak tesadüfen bir atom bir fotonu yakalayabilir ve emebilir.

Yukarıdakilerin tümü, fotonun içsel boyutlarının olmadığını varsayar; aslında oldukça büyük olmasına rağmen. Görünür ışığın tipik bir fotonu yaklaşık 1/20.000 dalga boyuna sahiptir. santimetre. Bu uzunlukta, yaklaşık bin atom bir sıraya sığar. Görünür ışığın bir fotonu, çapı bir atomun çapından bin kat daha büyük ve hacmi bir atomun hacminin 1.000.000.000 katı olan bir tür küre olarak düşünülebilir. Herhangi bir zamanda, bir ışık fotonu, biri onu yakalamayı ve emmeyi başaran yaklaşık bir milyar atomla temas eder.

Bu nedenle, bir fotonun soğurulmadan önce maddeye nüfuz ettiği derinlik 300 değildir. santimetre, ve bir milyar kat daha az, yani 3 10 -7 santimetre.

Bu mesafede, arka arkaya 10-15'ten fazla atom sığmaz. Bu, absorpsiyon anından önce bir ışık fotonunun, 10-15 atomik katmandan daha derin olmayan maddeye nüfuz ettiği anlamına gelir. 10-15 atomluk bir kalınlık, sıradan ölçeklerde sadece önemsiz bir değerdir, bu nedenle çoğu katı, ince filmler biçiminde bile, ışığa karşı opaktır (ancak altın folyo şeffaf hale gelecek kadar ince yapılabilir).

Işığın dalga boyu ne kadar kısa olursa, foton o kadar küçük olur, herhangi bir zamanda onunla temas halinde olan atomlar o kadar az olur ve bu nedenle, soğurulmadan önce madde içinde o kadar uzun yol alır. Bu nedenle ultraviyole ışığın insan derisine görünür ışıktan daha derine nüfuz etmesi; x-ışınları vücudun yumuşak dokularından serbestçe geçer ve sadece daha yoğun kemik maddesi tarafından durdurulur; a?-ışınları yoğun maddeye birçok santimetre boyunca nüfuz eder. (Elbette, görünür ışık, çoğu sıvıdan bahsetmeden, cam veya kuvars gibi maddelerde önemli bir mesafe kat eder, ancak bunların hepsi ayrı hususlardır.)