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 aracılığıyla gerçekleştirilir elektromanyetik alan.

Hareketli cisimlerin spektrumlarının incelenmesi, optik Doppler etkisi temelinde, radyasyon vericisinin ve alıcısının bağıl hızlarının belirlenmesini 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, yaklaşık olarak 0,2λ'dan daha az homojen olmayanlar tarafından bulanık bir ortamda saçılma sırasında ve ayrıca moleküler saçılma sırasında saçılan ışığın yoğunluğunun dalga boyunun dördüncü gücüyle 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 ışıldamalarının 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, floresan boyaların deri altına enjekte edilmesiyle belirlenebilir.

Uygun koşullar altında, ışıldayan analiz, 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 spektrumu seçilebilir. 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 zaman başına yayılan kuanta sayısı, reaksiyon hızı ve kemilüminesans verimliliğindeki 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 sırasında mitokondri süspansiyonundaki lüminesans yoğunluğundaki bir artışı gösterir. 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 belirlemeyi ve böyle bir etkinin mekanizmasını bulmayı mümkün kılar.

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 retinaya yerleştirilmesinden kaynaklanır (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 diğer tüm hücrelerden farklı olarak, çubukların dış bölümlerinin sitoplazmik zarında, potansiyelin içeride bir artı işareti ve dışarıda bir 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).

§ 6 Emilim.

kendiliğinden ve uyarılmış emisyon

Normal koşullar altında (dış etkilerin yokluğunda), atomlardaki elektronların çoğu uyarılmamış en düşük seviyededir. E 1, yani bir atomun minimum bir iç enerji kaynağı vardır, kalan seviyeler E 2 , E 3 ....E n uyarılmış durumlara karşılık gelir, minimum elektron popülasyonuna sahiptir veya genellikle serbesttir. Atom ile temel durumda ise E 1 , daha sonra harici radyasyonun etkisi altında, uyarılmış bir duruma zorla geçiş E 2. Bu tür geçişlerin olasılığı, bu geçişlere neden olan radyasyonun yoğunluğu ile orantılıdır.

Uyarılmış durumda 2 olan bir atom, bir süre sonra kendiliğinden (dış etkiler olmadan) kendiliğinden daha düşük enerjili bir duruma geçerek formda fazla enerji yayabilir. Elektromanyetik radyasyon, yani foton yayar.

Herhangi bir dış etki olmaksızın uyarılmış bir atom tarafından bir fotonun emisyon sürecine ne ad verilir? kendiliğinden (kendiliğinden) emisyon. Kendiliğinden geçişlerin olasılığı ne kadar yüksek olursa, uyarılmış haldeki bir atomun ortalama ömrü o kadar kısa olur. Çünkü kendiliğinden geçişler karşılıklı olarak ilgisizdir, o zaman kendiliğinden emisyon tutarlı değil.

Uyarılmış durumdaki bir atom 2, tatmin edici bir frekansta dış radyasyona maruz kalırsahn = E 2 - E 1 , o zaman aynı enerjiye sahip bir foton emisyonu ile temel duruma 1 zorunlu (indüklenmiş) bir geçiş varhn = E 2 - E bir . Böyle bir geçişte, bir atom tarafından radyasyon meydana gelir. bunlara ek olarak altında geçişin gerçekleştiği fotona. Dış maruziyetten kaynaklanan radyasyona ne ad verilir? zoraki. Böylece, içinde işlem uyarılmış emisyon iki foton söz konusudur: uyarılmış atom tarafından radyasyon emisyonuna neden olan bir birincil foton ve atom tarafından yayılan ikincil bir foton. ikincil fotonlar ayırt edilemez birincilden.

Einstein ve Dirac, uyarılmış emisyonun uyarıcı emisyonla aynı olduğunu kanıtladılar: aynı faza, frekansa, polarizasyona ve yayılma yönüne sahipler.Þ Uyarılmış emisyon kesinlikle tutarlı zorunlu emisyon ile.

Yayılan fotonlar, bir yönde hareket eder ve diğer uyarılmış atomlarla buluşur, daha fazla uyarılmış geçişleri uyarır ve fotonların sayısı çığ gibi büyür. Bununla birlikte, uyarılmış emisyon ile birlikte absorpsiyon meydana gelecektir. Bu nedenle, gelen radyasyonu yükseltmek için, uyarılmış emisyonlardaki (uyarılmış durumların popülasyonu ile orantılı olan) fotonların sayısının, emilen fotonların sayısını aşması gerekir. Sistemde atomlar termodinamik dengededir, absorpsiyon uyarılmış emisyona üstün gelecektir, yani. Olay radyasyonu, maddeden geçerken zayıflayacaktır.

Ortamın üzerine düşen radyasyonu büyütmesi için, sistemin dengesiz durumu uyarılmış durumdaki atomların sayısının temel halden daha büyük olduğu. Bu tür devletlere denir ile devletler nüfus inversiyonu. Maddenin dengede olmayan bir durum yaratma sürecine denir. pompalanmış. Pompalama optik, elektrik ve diğer yöntemlerle yapılabilir.

Tersine çevrilmiş popülasyona sahip ortamlarda, uyarılmış emisyon, absorpsiyonu aşabilir, yani. gelen radyasyon ortamdan geçerken güçlendirilecektir (bu ortamlara aktif denir). Bouguer yasasında bu medyalar içinben = ben 0e- ax , absorpsiyon katsayısı Olumsuz.

§ 7. Lazerler - optik kuantum jeneratörleri

60'ların başında, optik aralığın bir kuantum jeneratörü yaratıldı - bir lazer “ Uyarılmış Radyasyon Emisyonu ile Işık Amplifikasyonu ” - indüklenen radyasyon emisyonu ile ışığın amplifikasyonu. Lazer radyasyonunun özellikleri: yüksek tek renklilik (son derece yüksek ışık frekansı), keskin uzaysal yönelim, büyük spektral parlaklık.

Kuantum mekaniği yasalarına göre, bir atomdaki bir elektronun enerjisi keyfi değildir: yalnızca belirli (ayrık) bir değer aralığına sahip olabilir E 1, E 2, E 3 ... E n aranan enerji seviyeleri. Bu değerler farklı atomlar için farklıdır. İzin verilen enerji değerleri kümesine denir enerji spektrumu atom. Normal koşullar altında (dış etkilerin yokluğunda), atomlardaki elektronların çoğu en düşük uyarılmış E 1 seviyesindedir, yani. bir atomun minimum bir iç enerji kaynağı vardır; diğer seviyeler E 2 , E 3 ..... E n atomun daha yüksek enerjisine karşılık gelir ve denir heyecanlı.

Bir elektronun bir enerji seviyesinden diğerine geçişi sırasında, bir atom frekansı olan elektromanyetik dalgalar yayabilir veya soğurabilir. n m n \u003d (E m - E n) h,

nerede H - Planck sabiti ( h = 6.62 10 -34 Js);

E n - son, E m - İlk seviye.

Uyarılmış bir atom, dış bir kaynaktan aldığı veya elektronların termal hareketi sonucu elde ettiği fazla enerjisinin bir kısmını iki farklı şekilde verebilir.

Bir atomun herhangi bir uyarılmış hali kararsızdır ve her zaman bir kuantum elektromanyetik radyasyon emisyonu ile daha düşük bir enerji durumuna kendiliğinden geçiş olasılığı vardır. Böyle bir geçiş denir doğal(doğal). Düzensiz ve kaotiktir. Tüm sıradan kaynaklar kendiliğinden emisyonla ışık üretir.

Bu, ilk emisyon mekanizmasıdır (elektromanyetik radyasyon). İncelenen iki seviyeli şemaışık emisyonu, radyasyonun amplifikasyonu elde edilemez. emilen enerji h n aynı enerjiye sahip bir kuantum olarak salınan h n ve hakkında konuşabilirsin termodinamik denge: Bir gazdaki atomların uyarılma süreçleri her zaman ters emisyon süreçleriyle dengelenir.

§2 Üç seviyeli şema

Termodinamik dengedeki bir maddenin atomlarında, sonraki her uyarılmış seviye bir öncekinden daha az elektron içerir. Seviye 1 ve 3 arasındaki geçişle rezonansa giren bir frekansta heyecan verici radyasyon ile sistem üzerinde hareket edersek (şematik olarak 1→ 3), o zaman atomlar bu radyasyonu emecek ve seviye 1'den seviye 3'e geçecektir. Radyasyon yoğunluğu yeterince yüksekse, o zaman seviye 3'e geçen atomların sayısı oldukça önemli olabilir ve biz dengeyi ihlal etmiş oluruz. seviye popülasyonlarının dağılımı, seviye 3'ün nüfusunu artıracak ve dolayısıyla seviye 1'in nüfusunu azaltacaktır.

Üst üçüncü seviyeden geçişler mümkündür 3→ 1 ve 3 → 2. Geçiş 3 olduğu ortaya çıktı→ 1 enerji emisyonuna yol açar E 3 -E 1 = h n 3-1 ve geçiş 3 → 2 ışınımsal değildir: ara seviye 2'nin “yukarıdan” popülasyonuna yol açar (elektron enerjisinin bir kısmı bu geçiş sırasında maddeye verilir, onu ısıtır). Bu ikinci seviye denir yarı kararlı, ve sonuç olarak üzerinde ilkinden daha fazla atom olacak. Atomlar, zemin seviyesi 1'den üst durum 3 aracılığıyla seviye 2'ye ulaştığı ve “büyük bir gecikme” ile zemin seviyesine geri döndüğü için, o zaman seviye 1 “tükenmiş” olur.

Sonuç olarak, var ters çevirme,şunlar. düzey popülasyonlarının ters ters dağılımı. Enerji seviyelerinin popülasyon ters çevrilmesi, yoğun bir yardımcı radyasyon tarafından yaratılır. pompa radyasyonu ve sonuçta yol açar uyarılmış Ters bir ortamda fotonların (zorla) çoğaltılması.

Herhangi bir jeneratörde olduğu gibi, bir lazerde de üretim modunu elde etmek için gereklidir. Geri bildirim. Bir lazerde, geri bildirim aynalar kullanılarak gerçekleştirilir. Yükseltici (aktif) ortam iki ayna arasına yerleştirilir - düz veya daha sık içbükey. Bir ayna katı yapılır, diğeri kısmen saydamdır.

Üretim süreci için "tohum", bir fotonun kendiliğinden emisyonudur. Bu fotonun ortamdaki hareketinin bir sonucu olarak, aynı yönde uçan bir foton çığı oluşturur. Yarı saydam bir aynaya ulaşan çığ kısmen yansıtılacak ve kısmen aynadan dışarıya geçecektir. Sağ aynadan yansımadan sonra dalga geri döner ve güçlenmeye devam eder. mesafe yürümekben, sol aynaya ulaşır, yansır ve tekrar sağ aynaya koşar.

Bu tür koşullar sadece eksenel dalgalar için yaratılmıştır. Diğer yönlerin kuantumları, aktif ortamda depolanan enerjinin gözle görülür bir bölümünü alamaz.

Lazerden çıkan dalga, neredeyse düz bir cepheye ve tüm ışın kesiti üzerinde yüksek derecede uzamsal ve zamansal tutarlılığa sahiptir.

Lazerlerde aktif ortam olarak çeşitli gazlar ve gaz karışımları kullanılır ( gaz lazerleri), belirli iyonların safsızlıklarına sahip kristaller ve camlar ( katı hal lazerleri), yarı iletkenler ( yarı iletken lazerler).

Uyarma yöntemleri (pompalama sisteminde) aktif ortamın tipine bağlıdır. Bu, ya bir gaz deşarj plazmasındaki (gaz lazerleri) parçacıkların çarpışmasının bir sonucu olarak uyarma enerjisinin aktarılması veya aktif merkezlerin özel kaynaklardan tutarsız ışıkla ışınlanmasıyla (katı hal lazerlerinde optik pompalama) enerji aktarımı yöntemidir. veya p- yoluyla dengesiz taşıyıcıların enjeksiyonu n - geçiş, ya bir elektron ışını ile uyarma ya da optik pompalama (yarı iletken lazerler).

Şu anda, çok çeşitli dalga boylarında radyasyon üreten çok sayıda farklı lazer yaratılmıştır (200¸ 2 10 4 nm). Lazerler çok kısa ışık darbeleriyle çalışır. t " 1·10 -12 s de sürekli radyasyon verebilir. Lazer radyasyonunun enerji akışı yoğunluğu yaklaşık 10 10 W/cm2'dir (Güneşin yoğunluğu sadece 7·10 3 W/cm2'dir).

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, tam olarak aynı dalga boyuna sahip bir fotonu emebilir veya "yakalayabilir", bu durumda 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.)

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 elektron ve bir antinötrino 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, atomun önemsiz bir bölümünü işgal eden atom çekirdeğinde bulunan protonlar tarafından emilir. Uçan antinötrinolar sağlam, çok nadiren küçük bir çekirdekle çarpışır. Bir antinötrino bir atomun içinde bulunduğu zamanın yalnızca yüz milyonda biri için, bir 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 pratik olarak emilmediği iddia edilebilir. Bir kez atom altı bir süreçte ortaya çıktıklarında, sonsuza dek hareket ederler 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 yüzdenin mümkün olduğu kadar çok antinötrino içermesi için, 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, tanklar üzerinde 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.

Çok elektronlu atomların spektrumları

a . Enerji korunumu yasası. Frekans kuralı ile ifade edilir bora. (7.1)

Yayılan (emilen) fotonun enerjisi, yayan (soğuran) atomun enerjileri arasındaki farka eşittir.

b . Momentumun korunumu yasası . İçinde kendini gösterir radyasyonda serbest bir atom(emilim)geri tepiyor. Kütlesi olan bir atomun momentumunu alırsak ben sıfırın ötesinde bir fotonun emisyonundan önce, sonra bir fotonun emisyon yönüne izdüşümünde eşitliği elde ederiz:

. (7.2)

Eksi işareti, atomun yönde "sektiğini" gösterir. ters yön foton hareketi. Bir foton emildiğinde, geri tepme hızının yönü, fotonun hareket yönü ile çakışır. . (7.3)

IR, görünür ve UV aralıklarında ışığın yayılması sırasında atomların geri tepme hızı düşüktür. Örneğin, menekşe serisi foton yayan bir hidrojen atomu balmerİle birlikte ben= 410 nm, geri tepme hızını alır v x = hçm bir l = 6.6 10 -34 ç (0,001 ç 6 10 23) 410 10 -9 = 1m ç İle birlikte. Bu, atomların termal hareket hızından 1000 kat daha azdır.

Geri tepme nedeniyle radyasyon enerjisinin bir kısmı atom tarafından taşınır. Bu nedenle, geri tepmeyi hesaba katarak, enerjinin korunumu yasası şu şekli alır: . (7.4)

Atomların geri tepme enerjisi çok küçüktür. Yukarıdaki örnekteki hidrojen atomu için foton enerjisinin 10-8'ini geçmez. Atomların geri tepmesi nedeniyle, yayılan fotonların enerjisi ve frekansı azalır. IR, görünür ve UV aralıklarında, geri tepme ile ilgili etkiler, küçük olmaları nedeniyle genellikle ihmal edilir. Ve sadece röntgen ve gama - aralıklarında bu etkiler önemli hale gelir.

içinde . Açısal momentumun korunumu yasası . Deneyimlerin gösterdiği gibi, elektronlar gibi fotonlar da bir spin mekanik momentine sahiptir. LS, elektronun spin mekanik momentumunun iki katıdır. Hareket yönüne izdüşümde, bir fotonun dönüş açısal momentumu iki değer alabilir, ħ. (7.5)

Bir atom, bir foton yayarak veya soğurarak sadece enerji vermek veya almakla kalmaz, aynı zamanda açısal momentumunu fotonun momentumuna eşit bir değerle değiştirir. Bu değişiklik, hem elektron bulutunun konfigürasyonundaki bir değişiklik (elektronun yörünge momentumundaki değişiklikler) hem de elektron spininin oryantasyonundaki bir değişiklik nedeniyle meydana gelebilir.

İlk durumda Konuşuyoruz hakkında yörünge mekanik momentindeki değişim değere göre elektron ħ azimuttaki bir değişikliğe karşılık gelen kuantum sayısı ben birim başına. Bundan seçim kuralını (5.12) elde ederiz, ki bu da şu şekilde ifade edilir: açısal momentumun korunumu yasası.

İkinci yol - elektron spininin yeniden yönlendirilmesi ayrıca boyut olarak ħ . Bu yol pek olası değildir. Bu nedenle, D seçim kuralını ihlal eden geçişler l = ± 1 karasal ışık kaynaklarında pratikte uygulanmaz. Örneğin, uyarılmış bir hidrojen atomunun 2'den geçişleri s- 1'de s- durum sadece çok nadir güneş koronasında veya yıldızların atmosferlerinde meydana gelebilir. Buradaki heyecanlı atomlar uzun süre çarpışma yaşamazlar. Bu nedenle, bu tür imkansız geçişler bile içlerinde gerçekleşir.

2. Alkali metallerin spektrumları diğer elementlerden daha çok hidrojen spektrumuna benzer. Alkali metal atomları, asal bir gaz kabuğuna ve toplam + + yüke sahip merkezi olarak simetrik bir çekirdektir. e etrafında bir elektron hareket eder.

Alkali metaller, tablonun ilk grubunun ana alt grubunu oluşturur. Mendeleyev. Bütün dönemler onlarla başlar. Kararlı elementlerden bu lityum Li'dir, Z= 3 (çekirdek helyum kabuklu bir çekirdektir, uyarılmamış bir atomdaki üst elektron 2'dir s- durum), sodyum Na, Z= 11 (çekirdek neon kabuklu bir çekirdek, 3'te bir elektron s- durum), potasyum K , Z= 19(çekirdek argon kabuğu olan bir çekirdek, 4'te bir elektron s- durum), rubidyum Rb, Z= 37 (çekirdek, kripton kabuğu olan bir çekirdek, 5'te bir elektron s- devlet), sezyum Cs, Z= 55 (çekirdek, ksenon kabuklu bir çekirdek, 6'da bir elektron s- şart).

Alkali metallerin spektrumunda birkaç seri vardır. Bunlardan en önemlileri 4'tür: ana, keskin, dağınık ve ana. 1900lerde Johannes Rydberg bulundu Genel form alkali metaller için seri formül. . (7.6)

Burada n £ m– enerji seviyelerinin sayısı, a ve b- farklı metaller ve farklı seriler için farklı anlamları olan düzeltmeler.

Örnek olarak sodyum spektrumunu ele alalım. Şekil 44, sodyum atomundaki enerji seviyelerini ve spektral serileri oluşturan elektronik geçiş şemalarını göstermektedir.

a . Ana Seri . öyle adlandırılmış çünkü sadece emisyon spektrumlarında değil, aynı zamanda absorpsiyon spektrumlarında da bulunur.. dizi karşılık gelir Lyman hidrojen spektrumunda. Sodyum için formül ( m= 3,4,5,…¥):

. (7.7)

Emisyon spektrumunda, ana seri, bir elektron geçtiğinde ortaya çıkar. p- ana 3'ü belirtir s- şart. Bu dizinin baş çizgisi (yani maksimum dalga boyuna sahip çizgi ben, sayının minimum değerine karşılık gelen m= 3) - karakteristik parlak sarı D- sodyum hattı ben=589 nm. Bu, bu serinin görünür aralıktaki tek çizgisidir. Bir elektron 3'ten geçtiğinde oluşur. p 3'te s- bir enerji katmanı içinde durum.

Bu serideki bir sonraki satır geçiş 4'te yayınlanır p 3s. onun dalga boyu ben=330nm UV aralığındadır. Ana serinin kesme dalga boyu (çizgi m = ¥) =241nm.

Spin-yörünge etkileşimi nedeniyle p– alt seviye enerjik olarak ikiye bölünür. Bu nedenle, ana serinin spektral çizgileri çiftlerdir. Örneğin, sarı sodyum ikili ana serisinin baş çizgisi iki satırdan oluşur. ben 1 = 589.6 nm ve ben 2 =589.0 nm.

sadece p- alt seviye, aynı zamanda diğer daha yüksek d, f– alt düzeyler enerjisel olarak ikiye ayrılır. Bu nedenle, alkali metallerin spektrumlarındaki çoklu bölünme diğer serilerde de mevcuttur.

Çok elektronlu atomların spektrumlarının incelenmesi, sabitin Rydberg R artan eleman sayısı ile biraz artar. Yani, hidrojen için Sağ\u003d 1.09678 10 7 m -1, sodyum için R Na\u003d 1.09735 10 7 m -1 ve en ağır atomlar için RZ > 20 \u003d 1.09737 10 7 m -1. Büyüme R esas olarak periyodik tablonun başında ve zaten klor Cl ile oluşur ( Z= 17) büyüme R pratik olarak görünmez.

b . keskin (keskin) diziler sadece oluşur radyasyon spektrumu bir elektronun geçişi sırasında sodyum s- devletler p- durum (Şekil 44). Sodyum için keskin seri formülü: , m=4, 5, 6,… (7.8)

İki bileşene ayrılması nedeniyle p– keskin bir serinin alt düzey çizgileri de çiftleri temsil eder. Kafa dizi ikilisi ( m= 4) IR bölgesinde yer alır, ben 1 = 1140 nm ve ben 2 = 1138 nm (geçiş 4 s 3p). Geçiş ikilisi 5 s 3p 616 ve 615 nm görünür aralık. Geçiş 6 s 3p 515 nm çizgisine karşılık gelir (bölme D ben 1 nm'den az). Keskin bir serinin sınırlayıcı dalga boyu = 408 nm. Bu nedenle, önde gelen çizgi hariç tüm keskin seriler görünür aralıktadır.

Sharp serisinin çizgileri adından da anlaşılacağı gibi kontrast oluşturuyor. Bu, bu serinin emisyonu sırasında elektronların s- enerji bölünmesi olmayan durumlar. Elektronlar iki bileşene çarptığından beri p– alt seviye, o zaman keskin bir serinin ikililerinde yayılan fotonların enerjisi aynı farka sahiptir h D n tüm seri için. Frekans farkı D n ikilinin bileşenleri arasındaki sabittir. Dalga boylarında ifade edilen fark D ben serinin menekşe ucuna doğru hareket ederken hızla azalır.

içinde . dağınık (dağınık) diziler sadece emisyon spektrumunda bulunur ve bir elektronun çift 3'e geçişleri sırasında ortaya çıkar. p- çift üst üste gelen alt seviye d- alt seviyeler (Şekil 44). Seçim kuralları, dört geçiş seçeneğinden yalnızca üçünün uygulanmasına izin verir. Bu nedenle, dizideki her satır üçlü. Bileşenler arasındaki enerji mesafeleri d- mesafe 3'e kıyasla çok daha az alt seviye var p- alt düzey. Bu nedenle, yetersiz çözme gücüne sahip spektral cihazlarda, üçlünün bileşenleri çözülmez ve üçlünün tamamı bulanık (yaygın) bir çizgi olarak algılanır. Sodyum için yaygın seri formülü:

, m= 3, 4, 5,… (7.9)

Bu dizinin baş çizgisi ( m= 3) uzunluğu var ben= 818 nm ve yakın IR aralığındadır. Elektron geçişleri sırasında yayılır 3 d 3p aynı enerji katmanı içinde Sayı büyüdükçe mçizgiler görünür aralıkta yayılır, ben(m= 4) = 586 nm, ben(m= 5) = 498 nm. Keskin seride olduğu gibi sınırlayıcı dalga boyu, ben(m= ¥) = 408 nm. Önde gelen çizgiler hariç, her iki seri de - keskin ve dağınık - görünür aralıkta.

G . Ana (Temel), temel seri, formülü formülden çok az farklılığa sahip olduğu için bu şekilde adlandırılmıştır. balmer. sodyum için

,m= 4,5,6,… (7.10)

Bir elektron hareket ettiğinde ortaya çıkar. f- 3'te eyaletler d- şart. Bu serinin tüm hatları IR aralığındadır. Baş çizgisi (4 f 3d) bir uzunluğu var ben= 1846 nm, sonraki (5 f 3d) ben= 1268 nm, sınır çizgisi ( m= ¥) ben= 813 nm. Sodyum spektrumundaki ana seri, seriye çok benzer. Peşin hidrojen spektrumunda (1875 - 820 nm).

düzeltme faktörleri a ve b(7.6) serisinin formüllerinde seviyelerin enerjisi arttıkça azalmaktadır. Evet, seviye 3 s 1.371, seviye 3 değişikliği var p– değişiklik 0.881, seviye 3 d- düzeltme 0.008. Bundan, atomdaki enerji seviyesinin ne kadar düşük olduğu sonucuna varabiliriz. alkali metal, bir soy gazın kabuğuna ne kadar yakınsa, çekirdeğin elektrik alanı ne kadar deforme olursa, hidrojen atomunun Coulomb alanından o kadar farklı olur. Temel seri bu nedenle seriye çok benzer. Peşin seviyelerindeki hidrojen atomunun spektrumunda d ve f alkali metal atomunun çekirdeğinden uzakta bulunur.

3. Spektral çizgilerin doğal genişliği. Normal koşullar altında bir fotonun emisyonu şu durumlarda meydana gelir: doğal(kendiliğinden) bir atomun uyarılmış, yani enerjik olarak daha yüksek, enerjik olarak daha düşük bir duruma geçişi. Zaman t, belirli bir uyarılmış durumdaki atom sayısının azaldığı e kez denir ömür heyecanlı durum. Çoğu durumda t»10 -8 10 -9 sn. Ve sadece yarı kararlı durumlar (anormal derecede uzun ömürlü) zaman t belki 10 -1 sn.

Kendiliğinden geçişlerin olasılığı, uyarılmış durumların kesinlikle durağan kabul edilemeyeceğini gösterir. Uyarılmış durumun enerjisi kesin olarak tanımlanmamıştır. Belirsizlik ilişkisinden Heisenberg enerji ve zaman (3.3) için enerji belirsizliği D E uyarılmış durumdaki atom zamanla ters orantılıdır t : ħ, . (7.11)

Uyarılmış bir atomun enerjisindeki belirsizlik, yaydığı fotonların enerjilerinde bir yayılmaya yol açar. . (7.12)

D frekans aralığından geçelim n dalga boyu aralığına D ben. Çünkü

, sonra . (7.13)

Başlık serisi için balmer (ben= 656.3 nm, t= 10 -8 s) bu genişlik D ben= 2.3 10 -5 nm. Modern spektral cihazlar bunu ölçmeyi mümkün kılar. doğal genişlik spektral çizgiler.

Işık yoğunluğunun bağımlılığını bir grafikte çizerseniz ben dalga boyundan ben, daha sonra simetrik çan şeklinde bir eğri elde edilir. 45'te, dalga boyuna sahip kadmiyum Cd'nin kırmızı çizgisi için böyle bir eğri gösterilmektedir. ben= 643.8 nm. Çok çeşitli spektrumlarda bu kadar basit gerçekten çok az çizgi vardır. İnce yapı şemasında (spin-yörünge etkileşimi) basit olarak kabul edilen çizgiler için bile, artan çözünürlükle çokluk bulunur.

4. Spektrumun aşırı ince yapısı. Böyle bir ek aşırı ince yapı iki nedenden dolayı ortaya çıkabilir.

Birinci olarak, yayan atomların karışık izotopik bileşimi nedeniyle. Örneğin, doğal hidrojen iki izotopun karışımından oluşur - protia ve döteryum- 5000: 1 oranında. Döteryumun spektral çizgileri, daha kısa dalga boyları bölgesine hafifçe kaydırılır. Sıradan bir karışımda döteryum çizgileri görünmez. Ancak gazdaki döteryum konsantrasyonu artarsa, o zaman her satır, örneğin bir seri halinde balmer, ikiye ayrılır. Bu izotopik çokluk.

İkincisi, varlığı nedeniyle atom çekirdeği mekanik ve manyetik momentler.Çekirdeklerin manyetik momenti, elektronların yörüngesel manyetik momentinden yaklaşık 1000 kat daha azdır. Ancak yine de, elektronların spin-yörünge momentlerinin çekirdeğin manyetik momenti ile etkileşimi, yüksek çözünürlüklü spektral cihazlar tarafından kaydedilen çokluğa yol açar. Örneğin, dalga boyuna sahip yeşil Hg cıva çizgisi ben= 546.0724 nm, ana hatta ek olarak altı satırdan oluşan aşırı ince bir yapıya sahiptir, -0.0236, -0.0102, -0.0069, ben= 546.0724 nm, +0.0085, +0.0128, +0.0214 nm.

5. Spektral çizgilerin Doppler genişlemesi. Yayılan atomların termal hareketlerinden dolayı öteleme hareketi, spektral çizgilerin ek bir genişlemesine yol açar.

Etkisi nedeniyle alıcıya yaklaşan bir atomun yaydığı ışığın frekansı doppler biraz daha büyük ve eşit n 0+D n. Uzaklaşan bir atomdan gelen ışığın frekansı biraz daha az ve eşittir n 0-D n. Burada n 0, hareketsiz bir atom tarafından yayılan ışığın frekansıdır. Sonuç olarak, aynı spektral çizgi nedeniyle ileri hareket atomlar frekans bandına genişletilir ( n 0+D n) – (n 0-D n) = 2B n.

Boyuna etki için optik formülden doppler(Optik, f. 28.10) şu şekildedir:

, nerede . (7.14)

Buradan, . (7.15)

Göreceli Doppler genişlemesi. (7.16)

Oda sıcaklığında, hidrojen atomlarının termal hareket hızı v= 2 10 3 m ç İle birlikte. Buradan.

Doppler genişlemesi zaten frekansın 5-6 işaretinde görünüyor n veya dalga boyu ben. Modern spektral cihazlar ölçmeyi mümkün kılar n veya ben 7-8 karaktere kadar. Bu nedenle, spektral çizgilerin termal genişlemesi, belirgin ve genellikle istenmeyen bir etkidir. Bunu ortadan kaldırmak için, düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilebilen bu tür atom uyarma yöntemlerini uygulamak gerekir. Örneğin, ışıldama(bkz. §10).

6. Moleküler spektrumlar. Atomların bir molekül halinde birleşmesi, atomlardaki elektronik hareket enerjisiyle birlikte molekülün, karmaşık bir sistem, enerjisi var salınım ve dönme hareketleri(Şek. 46). Büyüklük sırasına göre, kuantum enerji adımları çoğunlukla şu şekilde düzenlenir: D E e-posta >D E say >D E sıcaklık Burada D E– bir atomdaki elektronik enerji seviyelerinin basamakları.

Molekül tarafından yayılan spektrum üzerindeki en önemli etki, salınım hareketi. Molekül içi titreşim hareketinin enerjisi nicelleştirildiğinden, herhangi bir gaz hacminde, aynı titreşim enerjisi D değerlerine sahip molekül grupları vardır. E sütun 1, D E sütun 2, D E sütun 3 vb. Atomdaki aynı elektronik geçişin bir sonucu olarak farklı gruplar moleküller farklı frekanslara sahip fotonlara karşılık gelir n 1 , n 2 , n 3 ,… çünkü bir fotonun emisyonu sırasında molekülün titreşim enerjisi elektronik geçişin enerjisine eklenebilir.

Atomik haldeki bir madde, örneğin hidrojen H, frekanslı bir çizgi yayarsa n, daha sonra moleküler haldeki (H 2) bir madde tarafından yayılan bu çizgi, moleküler titreşimin enerji basamaklarının sayısına bağlı olarak bir çizgi sistemine bölünür.

Titreşime ek olarak çizgilerin ayrılması da dönme hareketi moleküller. Sonuç olarak, moleküllerin emisyon spektrumları aşağıdakileri içeren grupları içerir: Büyük bir sayıçizgiler - çizgiler ve bu nedenle çizgili olarak adlandırılır (Şekil 47).

9.1. Sistem etkileşim operatörü elektrik ücretleri elektromanyetik alan ile

Klasik elektrodinamikte, yüklerin bir elektromanyetik alanla etkileşiminin enerjisi, dört akım yoğunluğu ve potansiyel vektörünün (9.1) skaler bir ürünü olarak ve seçilen Lorentz göstergesini hesaba katarak, skaler bir ürün cinsinden ifade edilebilir. akım yoğunluğu ve vektör potansiyelinin üç boyutlu vektörleri. Klasik ifadeye benzeterek, tanıtıyoruz harici bir alanla etkileşim operatörü, açıkça yaratma ve yok etme operatörleri (9.2) cinsinden ifade edilir. Etkileşim operatörü, her radyasyon moduyla etkileşime karşılık gelen, birbirinden bağımsız sonsuz sayıda operatöre bölünür. Her mod için, bir fotonun yaratılmasına ve yok edilmesine karşılık gelen iki operatörün toplamı vardır. Etkileşimsiz alt sistemlerin (9.3) durumlarının ürünleri, sıfır yaklaşımının durumları olarak seçilir. Bu durumlar üzerinde, modların her birinde bir fotonun yaratılması ve yok edilmesinin matris elemanları (9.4) biçimindedir. Emisyon veya absorpsiyonlu bir geçiş olasılığı için formüller elde etmek için, standart pertürbasyon teorisi yöntemi kullanılmalıdır.

9.2. Pertürbasyon teorisi (birinci dereceden)

Alan tarafından yükler arasındaki etkileşimin varlığında sistemin durumu, sıfır yaklaşımının (9.5) durağan durumları (9.3) cinsinden genişletilebilir. sistem |n> durumundaydı ve alt sistemleri (9.6) arasında hiçbir etkileşim yoktu. Genişlemenin (9.5) durağan olmayan Schrödinger denklemine ikamesi kolayca sisteme yol açar diferansiyel denklemler genlik hariç tüm zamana bağlı katsayıların küçüklüğüne neden olan zayıf bir pertürbasyon durumunda başlangıç ​​koşulları (9.6) ile çözümü zor olmayan zamana bağlı genişleme katsayıları (9.7) için başlangıç ​​durumundadır (9.8). Göre Genel kurallar Kuantum mekaniği, geçiş olasılığı bir duruma q modülün karesi ile verilen genlik ve zamanla orantılı olduğu ortaya çıkıyor (9.9), bu da birim zaman başına (9.10) geçiş olasılığını tanıtmamıza izin veriyor. Sürekli spektrumlu bir son durum durumunda, sonsuz küçük bir aralığa geçiş olasılığı verilir. dm (9.11).

9.3. Işığın emisyonu ve absorpsiyonu ile geçiş olasılıkları

Işık emisyonlu atomların durumları arasındaki geçişlerde, son durum, yayılan fotonun (9.12) sonsuz sayıda yönüne ve frekansına karşılık gelen sürekli spektruma aittir. Elde edilen ifade dikkate alındığında, bir fotonun seçilen bir moda emisyonu ile bir geçiş olasılığının, bu modda (9.13) halihazırda mevcut olan fotonların sayısıyla orantılı olduğu ortaya çıkıyor (9.13) 1 arttı. Bu şekilde ortaya çıkan iki terim (mevcut fotonların sayısıyla orantılı ve fotonların sayısından bağımsız) genellikle olasılıklar olarak yorumlanır. zoraki ve kendiliğinden emisyon(9.14) Absorpsiyonlu bir geçiş olasılığı (9.13)'e benzer bir forma sahiptir, ancak kendiliğinden süreci tanımlayan bir terim içermez (9.15).

Fotonların emisyon ve absorpsiyon olasılıkları ile ilgili ifadeler, sayısız uygulama için o kadar önemlidir ki, deneysel fizik için daha geleneksel olan miktarlara bağımlılıklar olarak yazmak uygun görünmektedir. Doldurma numarası (foton sayısı) yerine kavramı kullanmak daha uygundur. radyasyon yoğunluğunun spektral yoğunluğu belirli bir polarizasyonun elektromanyetik radyasyonunun bir enerji akışı olan, belirli bir sonsuz küçük frekans aralığına düşen ve sonsuz küçük bir katı açı (9.16) içinde yayılan belirli bir modda. Girilen değerin, bir fotonun enerjisinin çarpımı ve bunların sayısı ve uzaydaki hareket hızı ile orantılı olması gerektiği açıktır. Fotonların sayısını sayarken, seçilen uzamsal yöne karşılık gelen moddaki konsantrasyonları, durum sayısının karşılık gelen yoğunluğu ile çarpılmalıdır. Daha önce verilen ifadenin (7.12) ifadesinin aksine, belirli bir enerjinin tüm durumlarını hesaba katmaz, sadece belirli bir polarizasyonun belirli bir yöndeki ışığın yayılmasına karşılık gelenleri dikkate alır.

Foton sayısının radyasyon yoğunluğunun spektral yoğunluğu ile değiştirilmesi, ışığın emisyon ve absorpsiyon olasılıkları arasındaki ilişki için uygulamalar için uygun bir ifade elde etmeyi mümkün kılar (9.17).

9.3. Einstein katsayıları

İzotropik radyasyon durumunda, daha makul bir karakteristik spektral yoğunluk hacimsel enerji radyasyon yoğunluğu(9.18), açılar üzerinden entegrasyon ve polarizasyonlar üzerinden toplama ve tabii ki uzayda enerji yayılma hızına bölünmesi sonucunda yoğunluk spektral yoğunluğundan elde edilir. Radyasyon olasılıkları (9.17) için ifadelerin açıları üzerinden entegrasyon, ışınım geçişlerinin toplam (yönler ve polarizasyonlar üzerinden toplanan) olasılıkları (9.19) arasında iyi bilinen bir ilişkiye yol açar. Yukarıdaki ifade aynı zamanda istatistiksel ağırlıklarını ortaya koyarak atomik seviyelerin (yani aynı enerjiye sahip farklı durumların varlığı) dejenerasyon olasılığını da hesaba katar gi .

Endüklenmiş ışınımsal geçişlerin olasılıklarının ışınım şiddeti ile orantılı olması nedeniyle, foton sayısından bağımsız olarak bunları yoğunlukların katsayılarla (9.20) çarpımı olarak yazmak uygun olur. Bu şekilde tanıtılan miktarlara denir. Einstein katsayıları. İlişki (9.19), bu katsayılar (9.21) arasında açık bir bağlantı anlamına gelir. Klasik (rölativistik olmayan) Kuantum mekaniği spontan radyasyonun doğasını tutarlı bir şekilde açıklayamadığı kanıtlandı. Bu teori çerçevesinde, kendiliğinden geçişler için Einstein katsayısının ifadesi, radyasyon ve madde arasındaki termodinamik dengenin mümkün olması şartına dayalı olarak fenomenolojik olarak tanıtıldı.

9.4. denge radyasyonu

Kendiliğinden ve uyarılmış emisyon olasılıkları arasında kurulan ilişki, madde veya spektrum ile termodinamik bir denge durumunda radyasyonun spektral enerji yoğunluğunun frekans dağılımı için iyi bilinen bir ifadenin elde edilmesini kolaylaştırır. siyah vücut radyasyonu. Denge durumunda, fotonların atomlar tarafından birim zamandaki absorpsiyon ve emisyon eylemlerinin sayısı birbirine eşit olmalıdır (9.22). Bu düşünce, atomların Boltzmann enerji dağılımının varsayımıyla birlikte, moddaki fotonların sayısını, atomlar arasındaki enerji boşluğuna karşılık gelen bulmayı mümkün kılar. atomik seviyeler(9.23) ve radyasyonun hacimsel enerji yoğunluğunun frekansına (9.24) bağımlılığını hesaplar. sonuç oranı denir Planck dağılımı, deneysel verilerle mükemmel bir uyum içindedir. İfade özelliğine dahil Bose-Einstein istatistikleri için faktör, belirli bir enerjiye sahip bir durumda bir foton bulma olasılığı olarak yorumlanabilir. Bose-Einstein istatistikleri tamsayılı spinli kuantum mekanik nesneler için uygulandığından, elde edilen sonuç, Ders 7'de yapılan fotonun 1'e eşit bir spine sahip olduğu sonucuyla tam bir uyum içindedir.