Atomlar va molekulalarning energiyasi o'zgarganligi sababli juda ko'p turli xil hodisalar yuzaga keladi. Ayrim hollarda amaliyot uchun hodisalarni tahlil qilishda atom-molekulyar yondashuvga ehtiyoj qolmaydi. Boshqalarida, hodisadan samarali foydalanish faqat uning molekulyar (atom) tabiatini ajralmas hisobga olgan holda mumkin.

Ushbu bobda atomlar va molekulalar tomonidan nurlanish va energiyani yutish xususiyatlari, shuningdek, atom tabiatini bilish ulardan foydalanish uchun zarur bo'lgan ba'zi amaliy ahamiyatga ega bo'lgan hodisalar ko'rsatilgan. Ushbu keng mavzuning ba'zilari keyingi bobda muhokama qilinadi.

29.1. RADIATSIYALARNING XUSUSIYATLARI VA ENERGIYANI SUTILIShI

ATOMLAR VA MOLEKULALAR

Atom va molekula statsionar energiya holatida bo'lishi mumkin. Bunday holatlarda ular energiya chiqarmaydi yoki o'zlashtirmaydi. Energiya holatlari sxematik tarzda darajalar sifatida tasvirlangan (masalan, 28.13-rasmga qarang). Eng past energiya darajasi - zamin darajasi - zamin holatiga mos keladi.

Kvant o'tishlarida atomlar va molekulalar bir statsionar holatdan ikkinchisiga, bir energiya darajasidan ikkinchisiga o'tadi.

Atomlar holatining o'zgarishi bilan bog'liq energiya o'tishlari elektronlar. Molekulalarda energiya nafaqat elektron o'tishlar natijasida, balki atomlarning tebranishlari va aylanish darajalari orasidagi o'tishlarning o'zgarishi natijasida ham o'zgarishi mumkin.

Yuqoridan harakatlanayotganda energiya darajalari u quyi atom yoki molekulaga energiya beradi va teskari o'tishlarda uni o'zlashtiradi. O'zining asosiy holatidagi atom faqat energiyani o'zlashtira oladi.

Kvant o'tishlarining ikki turi mavjud:

1) nurlanishsiz yoki atom yoki molekula tomonidan elektromagnit energiyani yutmasdan. Bunday nurlanishsiz o'tish atom yoki molekula boshqa zarralar bilan o'zaro ta'sirlashganda sodir bo'ladi.

mi, masalan, to'qnashuv jarayonida. Atomning ichki holati o'zgaradigan va radiatsiyaviy bo'lmagan o'tish sodir bo'ladigan noelastik to'qnashuvni va elastik - atom yoki molekula kinetik energiyasining o'zgarishi bilan, lekin ichki holatini saqlab qolish bilan farqlang; 2) fotonning emissiyasi yoki yutilishi bilan.

Fotonning energiyasi atom yoki molekulaning dastlabki va oxirgi statsionar holatlari energiyalari orasidagi farqga teng:

Formula (29.1) ifodalaydi energiyani tejash qonuni.

Fotonning chiqishi bilan kvant o'tishini keltirib chiqaradigan sababga qarab, nurlanishning ikki turi ajratiladi. Agar bu sabab ichki va qo'zg'atilgan zarracha o'z-o'zidan pastroq energiya darajasiga o'tsa, bunday nurlanish deyiladi. o'z-o'zidan(29.1-rasm, a). Vaqti, chastotasi (turli xil pastki darajalar o'rtasida o'tishlar bo'lishi mumkin), tarqalish va qutblanish yo'nalishi bo'yicha tasodifiy va xaotikdir. An'anaviy yorug'lik manbalari asosan spontan nurlanish chiqaradi. Boshqa radiatsiya majbur, yoki qo'zg'atilgan(29.1-rasm, b). Bu fotonning qo'zg'aluvchan zarracha bilan o'zaro ta'sirida, agar fotonning energiyasi energiya darajalari orasidagi farqga teng bo'lsa, paydo bo'ladi. Majburiy kvant o'tish natijasida zarrachadan ikkita bir xil fotonlar bir xil yo'nalishda tarqaladi: biri birlamchi, majburlovchi, ikkinchisi esa ikkilamchi, chiqariladi.

Atomlar yoki molekulalar chiqaradigan energiya emissiya spektrini, yutilgan energiya esa yutilish spektrini hosil qiladi.

Intensivlik spektral chiziqlar soniyada sodir bo'ladigan bir xil o'tishlar soni bilan belgilanadi va shuning uchun chiqaradigan (yutuvchi) atomlar soniga va mos keladigan o'tish ehtimoliga bog'liq.

Har qanday energiya darajalari o'rtasida kvant o'tishlari amalga oshirilmaydi. Tanlash yoki taqiqlashning o'rnatilgan qoidalari, o'tishning mumkin bo'lgan va mumkin bo'lmagan yoki mumkin bo'lmagan shartlarini shakllantirish.

Ko'pgina atomlar va molekulalarning energiya darajalari juda murakkab. Darajalar tuzilishi va, demak, spektrlar bog'liq emas

faqat qurilishdan yagona atom yoki molekulalar, balki tashqi sabablardan ham.

Elektronlarning elektromagnit o'zaro ta'siri 1 energiya darajasining nozik bo'linishiga olib keladi (nozik tuzilish). Yadrolarning magnit momentlarining ta'siri o'ta nozik bo'linishni (giper nozik tuzilish) keltirib chiqaradi. Atom yoki molekulaga tashqi, elektr va magnit maydonlar energiya darajasining bo'linishiga olib keladi (Stark va Zeeman hodisalari; 30.2 ga qarang).

Spektrlar turli xil ma'lumotlar manbai.

Avvalo, atomlar va molekulalarni spektrning shakli bilan aniqlash mumkin, bu sifat spektral tahlil vazifalariga kiradi. Emissiya qiluvchi (yutuvchi) atomlar soni spektral chiziqlarning intensivligidan aniqlanadi - miqdoriy spektral tahlil. Shu bilan birga, 10 -5 - 10 -6% kontsentratsiyadagi aralashmalar nisbatan oson topiladi va juda kichik massa - bir necha o'n mikrogramgacha bo'lgan namunalar tarkibi aniqlanadi.

Spektrlardan atom yoki molekulaning tuzilishini, ularning energiya darajalarining tuzilishini, yirik molekulalarning alohida qismlarining harakatchanligini va hokazolarni baholash mumkin. Spektrlarning atom yoki molekulaga ta'sir qiluvchi maydonlarga bog'liqligini bilib, u haqida ma'lumot oladi. nisbiy pozitsiya zarralar, chunki qo'shni atomlarning (molekulalarning) ta'siri orqali amalga oshiriladi elektromagnit maydon.

Harakatlanuvchi jismlarning spektrlarini o'rganish optik Doppler effekti asosida nurlanish emitenti va qabul qiluvchining nisbiy tezligini aniqlash imkonini beradi.

Agar moddaning spektridan uning holati, harorati, bosimi va hokazolar haqida xulosa chiqarish mumkinligini hisobga olsak, tadqiqot usuli sifatida atomlar va molekulalar tomonidan nurlanish va energiya yutilishidan foydalanishni yuqori baholashimiz mumkin. .

Atom (yoki molekula) tomonidan chiqarilgan yoki so'rilgan fotonning energiyasiga (chastotasiga) qarab, spektroskopiyaning quyidagi turlari tasniflanadi: radio, infraqizil, ko'rinadigan nurlanish, ultrabinafsha va rentgen nurlari 2.

Moddaning turiga ko'ra (spektr manbai), atom, molekulyar spektrlar va spektrlarkristallar.

1 Bu erda "bo'linish" atamasi jarayonni emas, balki allaqachon shakllangan holatni anglatadi.

2 Yadro kvant o'tishlari tufayli gamma-spektroskopiya bu erda ko'rsatilmagan.

29.2. YORILGAN SO‘RILIShI

Muhitda tarqaladigan yorug'likning intensivligi uning so'rilishi va moddaning molekulalari (atomlari) tomonidan tarqalishi tufayli kamayishi mumkin.

Nurni yutish orqaliyorug'lik energiyasining boshqa energiya turlariga aylanishi tufayli har qanday moddadan o'tganda yorug'lik intensivligining zaiflashishi deyiladi.

Keling, yorug'likning materiya tomonidan yutilish qonunini o'rnatamiz. Qalinligi bilan moddaning kichik qatlamini tanlasak dx(29.2-rasm), u holda yutilish vaqtida ushbu qatlam tomonidan yorug'lik intensivligi dI ning susayishi qanchalik katta bo'lsa, qatlamning qalinligi va ushbu qatlamga tushadigan yorug'lik intensivligi qanchalik katta bo'ladi:

qayerda k- tabiiy yutilish indeksi (yutuvchi muhitga bog'liq bo'lgan va yorug'lik intensivligiga ma'lum chegaralarda bog'liq bo'lmagan mutanosiblik koeffitsienti); "-" belgisi moddadan o'tayotganda yorug'lik intensivligining pasayishini bildiradi, ya'ni. dI<0. Интегрируя (29.2) и подставляя соответствующие пределы (рис. 29.2), получаем:

Bu formula ifodalaydi Bugerning yorug'likni yutish qonuni. Ko'rib turganingizdek, tabiiy assimilyatsiya darajasi k muhitda yutilish natijasida yorug'lik intensivligi pasaygan masofaning o'zaro nisbati. e bir marta.

Tabiiy yutilish indeksi yorug'likning to'lqin uzunligiga bog'liq, shuning uchun monoxromatik yorug'lik uchun (29.3) qonunini yozish tavsiya etiladi:

qayerda kx- yutilishning monoxromatik tabiiy ko'rsatkichi.

Yorug'likning yutilishi molekulalar bilan o'zaro ta'sirga bog'liq bo'lganligi sababli, yutilish qonuni molekulalarning ma'lum xususiyatlari bilan bog'liq bo'lishi mumkin.

Mayli P yorug'lik kvantlarini yutuvchi molekulalarning konsentratsiyasi. Molekulaning samarali yutilish kesimini s deb belgilaymiz (foton molekula tomonidan ushlanib qoladigan ba'zi maydon).

Ushbu qatlam molekulalarining samarali kesimining umumiy maydoni snSdx ga teng. Bu qatlamga F = fotonlar oqimi tushadi IS. Molekulalarning samarali tasavvurlar maydonining umumiy tasavvurlar maydonidagi ulushi:

Qatlam tomonidan yutilgan fotonlarning ulushi yorug'lik oqimi (F / F) yoki intensivligi (dI / I) bilan ifodalanishi mumkin. Yuqoridagilarga asoslanib, biz quyidagilarni yozishimiz mumkin:

29.3. YORG'ILIK TARQISHI

Nurning tarqalishimuhitda tarqalayotgan yorug'lik nurining barcha mumkin bo'lgan yo'nalishlarga burilishi hodisasi deyiladi.

Yorug'likning tarqalishining paydo bo'lishi uchun zaruriy shart - bu optik bir xilliklarning mavjudligi, ya'ni. asosiy muhitdan tashqari sinishi indeksiga ega bo'lgan hududlar.

Yorug'likning tarqalishi va diffraktsiyasi ba'zi umumiy xususiyatlarga ega, ikkala hodisa ham to'siq yoki bir hil bo'lmaganlik va to'lqin uzunligi nisbatiga bog'liq. Bu hodisalar orasidagi farq shundan iboratki, diffraksiya ikkilamchi toʻlqinlarning interferensiyasidan, sochilish esa yorugʻlik taʼsirida bir jinsli boʻlmaganlikdagi elektronlarning majburiy tebranishlaridan kelib chiqadigan nurlanishning qoʻshilishi (interferentsiya emas!) hisobiga sodir boʻladi.

Bunday nomutanosiblikning ikkita asosiy turi mavjud:

1) bir hil shaffof moddadagi kichik begona zarralar. Bunday muhitlar loyqadir: tutun (gazdagi qattiq zarralar), tuman (gazdagi suyuq tomchilar), suspenziyalar, emulsiyalar va boshqalar. Loyqa muhitda sochilish Tindall hodisasi deb ataladi;

2) molekulalarning bir xil taqsimotdan statistik og'ishi (zichlikning tebranishlari) tufayli sof moddada paydo bo'ladigan optik bir xillik. Ushbu turdagi bir jinsli bo'lmaganlar bilan yorug'likning tarqalishi molekulyar deyiladi; masalan, atmosferada yorug'likning tarqalishi.

Yorug'likning tarqalishi tufayli yorug'lik intensivligining pasayishi, yutilish holatida bo'lgani kabi, eksponensial funktsiya yordamida tasvirlangan:

qayerda m- tarqalish indeksi (tabiiy).

Yorug'likning yutilishi va tarqalishining birgalikdagi ta'siri ostida intensivlikning susayishi ham eksponensial funktsiya hisoblanadi:

bu erda m - zaiflashuv ko'rsatkichi (tabiiy). m = ekanligini ko'rish oson m+k.

Rayleigh aniqladiki, loyqa muhitda taxminan 0,2 l dan kam bo'lmagan bir xillik bilan tarqalish paytida, shuningdek molekulyar tarqalish paytida tarqalgan yorug'likning intensivligi to'lqin uzunligining to'rtinchi darajasiga teskari proportsionaldir. (Reley qonuni):

Bu shuni anglatadiki, oq nurdan modda, masalan, bir nuqtada d(29.3-rasm), ko'k va binafsha nurlar asosan tarqaladi (A yo'nalishi), qizil nurlar esa yo'nalishda o'tadi. b tushayotgan yorug'lik. Shunga o'xshash hodisa tabiatda kuzatiladi: osmonning ko'k rangi yorug'lik nuridir, quyosh botishining qizil rangi sezilarli darajada tarqalishi tufayli oq yorug'lik spektrining o'zgarishidir.

atmosferadagi ko'k va binafsha nurlar oblique tushishda (27.3-rasmga tushuntirishga qarang).

Qizil nurlarning kamroq tarqalishi signalizatsiyada qo'llaniladi: aerodromlardagi identifikatsiya chiroqlari, eng muhim svetofor qizil va boshqalar. Infraqizil nurlar kamroq tarqaladi. Shaklda. 29.4-rasmda landshaftning ikkita fotosurati ko'rsatilgan: chap tomonda odatiy usulda olingan tuman ko'rishni keskin cheklagan: o'ngda infraqizil nurlanishda maxsus plastinkada olingan, tuman aralashmaydi, shaffof bo'lib chiqdi. uzunroq to'lqinlar.

Agar to'xtatilgan zarralar to'lqin uzunligi bilan solishtirganda katta bo'lsa, u holda tarqalish Rayleigh qonuniga (29.14) mos kelmaydi - kasrning maxraji l 2 bo'ladi. Tarqalgan yorug'lik ko'kligini yo'qotadi va oq rangga aylanadi. Shunday qilib, shaharlarning changli osmoni musaffo dengiz bo'shliqlarining quyuq moviy osmonidan farqli o'laroq, bizga oppoq ko'rinadi.

Tarqalgan yorug'lik yo'nalishi, uning qutblanish darajasi, spektral tarkibi va boshqalar. molekulalararo o'zaro ta'sirni tavsiflovchi parametrlar, eritmalardagi makromolekulalar, kolloid eritmalardagi zarralar, emulsiyalar, aerozollar va boshqalar haqida ma'lumot keltiring.

Ushbu turdagi ma'lumotlarni olish uchun tarqalgan yorug'likni o'lchash usullari deyiladi nefelometriya, va tegishli qurilmalar nefelometrlar.

29.4. OPTIK ATOM SPEKTRALARI

Atom spektrlari - bu erkin yoki kuchsiz ta'sir qiluvchi atomlar darajalari orasidagi kvant o'tishlari paytida paydo bo'ladigan emissiya spektrlari va yutilish spektrlari.

Optik atom spektrlari deganda biz tashqi elektronlar sathlari orasidagi foton energiyalari bilan bir necha elektron volt tartibida o'tish natijasida yuzaga keladiganlarni tushunamiz. Bunga spektrning ultrabinafsha, ko'rinadigan va yaqin infraqizil (mikrometrgacha) hududlari kiradi.

Eng katta qiziqish uyg'ongan atomlardan olinadigan optik atom emissiya spektrlaridir. Ularning qo'zg'alishi odatda gazdagi elektr zaryadsizlanishi yoki moddani gaz yondirgich alangasi, elektr yoyi yoki uchqun bilan qizdirish paytida radiatsion bo'lmagan kvant o'tishlari natijasida erishiladi.

29.1-bandda atomlarning spektrlari haqida umumiy fikrlar berilgan. Muayyan atomlarning spektrlari haqida batafsil ma'lumotni spektroskopiya bo'yicha maxsus ma'lumotnomalarda topish mumkin. Oddiy misol sifatida, vodorod atomi va vodorodga o'xshash ionlarning spektrini ko'rib chiqing.

(28.24) va (29.1) formulalardan vodorod atomi (Z = 1) chiqaradigan (yutadigan) yorug'lik chastotasi formulasini olish mumkin:

Bu formulani eksperimental ravishda I.Ya. Balmer kvant mexanikasi yaratilishidan ancha oldin va nazariy jihatdan Bor tomonidan olingan (28.7 ga qarang); i va k- kvant o'tish sodir bo'ladigan darajalarning tartib raqamlari.

Spektrni chaqirilgan chiziqlar guruhlariga bo'lish mumkin spektral qator.

Emissiya spektrlariga qo'llaniladigan har bir seriya turli darajadagi bir xil yakuniy darajaga o'tishga mos keladi (29.5-rasm).

Ultraviyole mintaqada joylashgan lyman seriyasi, eng yuqori energiya darajasidan eng yuqori darajaga o'tish jarayonida hosil bo'ladi

pastki, asosiy (k = 1). Lyman seriyasi uchun formuladan (29.15) biz quyidagilarni olamiz:

bular. shu qatorning barcha satrlarining chastotalarini toping. Eng uzun to'lqin uzunligi chizig'i eng yuqori intensivlikka ega. Shakldagi spektral chiziqlarning intensivligi. 29.5 shartli ravishda mos keladigan to'g'ridan-to'g'ri o'tishlarning qalinligi bilan ko'rsatilgan.

Spektrning ko'rinadigan va yaqin ultrabinafsha hududlarida Balmer seriyasi mavjud bo'lib, u yuqori energiya sathidan ikkinchi darajaga (k = 2) o'tish natijasida paydo bo'ladi. Formuladan (29.15) uchun Balmer seriyasi olamiz:

29.5. MOLEKULAR SPEKTRA

Molekulyar spektrlar (emissiya va yutilish) molekulalarning bir energiya darajasidan ikkinchisiga kvant o'tishlari paytida paydo bo'ladi (28.9 ga qarang) va bir-biriga yaqin joylashgan chiziqlar bo'lgan ko'proq yoki kamroq keng diapazonlar to'plamidan iborat. Molekulyar spektrlarning atomiklarga nisbatan murakkabligi shundan kelib chiqadi

Harakatlarning katta xilma-xilligi va natijada molekuladagi energiya o'tishlari.

(29.1) va (28.37) ni hisobga olgan holda biz molekula tomonidan chiqarilgan yoki so'rilgan chastotani topamiz:

Molekulyar spektrlar nafaqat molekulalarning tuzilishini, balki molekulalararo o'zaro ta'sirlarning tabiatini ham o'rganishga imkon beradi.

Molekulyar yutilish (absorbsiya) spektrlari biologik funktsional molekulalar haqida muhim ma'lumot manbai bo'lib, ular zamonaviy biokimyoviy va biofizikaviy ishlarda keng qo'llaniladi.

Ko'pgina hollarda, bu spektrlar yuqorida tavsiflangan tafsilotlarni hal qilmasdan, uzluksiz ravishda qayd etiladi.

Shunday qilib, masalan, rasmda. 29.8 eritrotsitlar suspenziyasining so'rilish spektrini ko'rsatadi. Inson terisining so'rilish spektri rasmda ko'rsatilgan. 29.9, ultrabinafsha qismida yutilish darajasi yuqori va teri eng yuqori qatlamlarda nurlanishni o'zlashtiradi. Ko'rinadigan hududda absorbans kamayadi va qizil mintaqagacha deyarli doimiy bo'lib qoladi.

29.6. LUMINESCENSIYNING TURLI TURLARI

Luminesans ma'lum bir haroratda tananing termal nurlanishidan ortiqcha deb ataladi, uning davomiyligi davrdan sezilarli darajada oshadi.(10-15 s) yorug'lik to'lqinlarini chiqaradi.

Ushbu ta'rifdagi davomiylik belgisi S.I. Vavilov lyuminessensiyani ikkinchi darajali lyuminessensiyaning ba'zi boshqa hodisalaridan, masalan, yorug'likning aks etishi va tarqalishidan farqlash uchun.

Qo'zg'alish turiga qarab, luminesansning bir necha turlari ajratiladi.

Zaryadlangan zarralar ta'sirida paydo bo'ladigan lyuminesans: ionlar - io-noluminesans, elektronlar - katodolyuminesans, yadroviy radiatsiya - radioluminesans. Rentgen va g-nurlanish ta'sirida lyuminestsensiya rentgen nurlanishi, fotonlar - deyiladi. fotoluminesans (29.7-ga qarang). Ba'zi kristallarni ishqalash, maydalash yoki parchalashda, tribolyuminesans. Elektr maydonidan hayajonlangan elektroluminesans, alohida holat gaz razryadning porlashidir. Ekzotermik kimyoviy reaksiyaga hamroh bo'ladigan luminesans deyiladi kimyoluminesans (29.8 ga qarang).

Fotoluminesans, ba'zan oddiygina lyuminessensiya deb ataladi, flüoresans (qisqa yorug'lik) va fosforessensiyaga (nisbatan uzoq vaqt yorug'likdan keyin) bo'linadi.

Har qanday fotoluminesansning dastlabki harakati fotonni energiya bilan qo'zg'atishdir hv atom yoki molekula. Odatda monotomik bug'lar va gazlarda amalga oshiriladigan eng oddiy holatda, atom bir xil chastotali yorug'lik fotonni chiqaradi n (29.10-rasm) asosiy holatga qaytadi. Bu hodisa deyiladi rezonansli floresans (rezonansning tarqalishi). Maxsus tajribalar yorug'lik nima ekanligini ko'rsatdi

29.7. FOTOLUMINESSENSIYA

Emissiya moddaning yoritilishidan taxminan 10-8 soniya o'tgach sodir bo'ladi va shuning uchun so'zning odatiy ma'nosida tarqalmaydi.

Lyuminestsent bug'larga begona gazlar (vodorod, kislorod va boshqalar) qo'shilsa, rezonansli floresans kamayadi. Buning sababi shundaki, atom mavjud bo'lgan vaqt ichida

hayajonlangan holatda u boshqa turdagi molekula bilan uchrashishi va unga energiya berishi mumkin. Bunday holda, molekulaning kinetik energiyasi ortadi va atom nursiz ravishda asosiy holatga o'tadi.

Bu hayajonlangan holatdan ko'proq 3 (29.11-rasm) molekula nurlanishsiz darajaga o'tadi 2, va keyin o'z-o'zidan energiya hv" darajasiga ega kvantning emissiyasi bilan 1.

Murakkab organik molekulalarda hayajonlangan holatdan o'tish sodir bo'ladi 3 ba'zi bir oraliq, metastabil 4 ga, undan asosiy holatga o'tish ehtimoli yo'q (29.12-rasm). Atrofdagi zarrachalarning molekulyar-kinetik energiyasi yoki yorug'likning yangi kvanti tufayli molekulaning qo'zg'aluvchan darajaga o'tishi mumkin. 2, va undan asosiy holatga 1. Bu fosforessensiyaning mexanizmlaridan biridir. Isitish metastabil darajadan chiqib ketish ehtimolini oshiradi va fosforessensiyani kuchaytiradi.

Fotoluminesans uchun bu asosan to'g'ri Stokes qonuni: luminesans spektri bu fotoluminesansga sabab bo'lgan spektrga nisbatan uzoq to'lqin uzunliklari tomon siljiydi (29.13-rasm).

Aslida, rasmdan ko'rinib turibdiki. 29.10, chiqarilgan fotonning hv energiyasi so'rilgan fotonning hv energiyasidan katta emas:

qayerdan l "\u003e l. Stokes qonunidan og'ishlar mavjud - Stokesga qarshi luminesans. Bu, ayniqsa, fotoluminesans alohida spektral chiziq, ya'ni monoxromatik yorug'lik bilan qo'zg'atilganda aniq ko'rinadi (29.14-rasm). Anti-Stokes nurlanishi a zarracha allaqachon hayajonlangan holatda bo'lgan hayajonlangan (29.15-rasm, 3-daraja). 2 asosiy ustida 1 energiya hv chiqariladi". Rasmdan ko'rinib turibdiki:

Bir qator biologik funktsional molekulalar, masalan, oqsil molekulalari, floresansni namoyon qiladi. Floresans parametrlari floresan molekula muhitining tuzilishiga sezgir; shuning uchun luminesans kimyoviy transformatsiyalar va molekulalararo o'zaro ta'sirlarni o'rganish uchun ishlatilishi mumkin.

So'nggi o'n yilliklarda membrana tizimlariga tashqaridan qo'shilgan maxsus lyuminestsent molekulalar keng qo'llanila boshlandi. Bunday molekulalar lyuminestsent problar (membrana bilan kovalent bo'lmagan aloqa) yoki floresan teglar (kimyoviy bog'lanish) deb ataladi.

Problar va yorliqlarning floresansini o'zgartirish oqsillar va membranalardagi konformatsion o'zgarishlarni aniqlash imkonini beradi.

Tibbiy maqsadlarda fotoluminesansning ba'zi ilovalarini ko'rib chiqing.

Ob'ektlarni o'rganish uchun ularni o'rganish uchun lyuminestsensiyani kuzatishga asoslangan lyuminestsent tahlil oziq-ovqat mahsulotlarining buzilishining dastlabki bosqichini aniqlash, farmakologik preparatlarni saralash va ayrim kasalliklarga tashxis qo'yish uchun ishlatiladi. Shunday qilib, ultrabinafsha nurlar ostida qo'ziqorin ta'sirlangan sochlar va tarozilar yorqin yashil lyuminestsent porlashni beradi. Teri kapillyarlarining o'tkazuvchanligini floresan bo'yoqlarni teri ostiga yuborish orqali aniqlash mumkin.

Qulay sharoitlarda lyuminestsent tahlil 10 -10 g gacha bo'lgan lyuminestsent moddalarni aniqlash imkonini beradi.

Mikroskopik ob'ektlarning lyuminestsent tahlili maxsus lyuminestsent mikroskoplar yordamida amalga oshiriladi, ularda an'anaviy yorug'lik manbalaridan farqli o'laroq, odatda yuqori va o'ta yuqori bosimli simob lampalar ishlatiladi va ikkita yorug'lik filtri ishlatiladi. Ulardan biri, kondensator oldida joylashgan

axlat, ob'ektning lyuminestsensiyasini keltirib chiqaradigan yorug'lik manbai spektrining mintaqasini ta'kidlaydi; ikkinchisi linza va okulyar o'rtasida joylashgan bo'lib, luminesans nurini chiqaradi. Fotoluminesans asosida yorug'lik manbalari yaratildi, ularning spektri cho'g'lanma lampalarnikiga qaraganda kunduzgi yorug'likka mos keladi. Bu sanoat va gigienik maqsadlarda muhim ahamiyatga ega. Floresan lampalar deb ataladigan bunday lyuminestsent lampalarda simob bug'ida past bosimda (elektroluminesans) elektr zaryadsizlanishi sodir bo'ladi. Oddiy shishadan yasalgan chiroqning ichki yuzasida (29.16-rasm) simob bug'ining nurlanishi ta'sirida fotolyuminessensiya qiluvchi yupqa fosfor qatlami yotqizilgan.

Fosfor tarkibini o'zgartirib, eng mos keladigan fotoluminesans spektrini tanlash mumkin. Shaklda. 29.17 mumkin bo'lgan spektrlardan birini ko'rsatadi, intensiv chiziqlar nurlanishi qisman fosfor orqali o'tadigan bug'lar spektriga mos keladi.

29.8. XEMILYUMİNESSENSIYA

Kimyoviy reaksiyalarga hamroh bo'ladigan lyuminesans xemiluminesans deb ataladi.

U to'g'ridan-to'g'ri reaktsiya mahsulotlari tomonidan yoki reaktsiya mahsulotlaridan ularga energiya o'tkazilishi natijasida qo'zg'aladigan boshqa komponentlar tomonidan chiqariladi.

Xemiluminesans yorqinligi, ya'ni. reaksiya tezligi va xemiluminesans samaradorligi ortishi bilan vaqt birligida chiqariladigan kvantlar soni ortadi - bitta reaksiya aktiga kvantlarning o'rtacha soni. Xemiluminesans moddaning tarkibini aniqlash uchun ishlatilishi mumkin (xemiluminesans tahlili).

Kimiluminesansning o'ziga xos ko'rinishi - biologik ob'ektlarning kimyoviy reaktsiyalari bilan birga keladigan porlash deyiladi. biohe-

miluminesans.Chirigan, o't o'chiruvchilarning nurlanishi - bioxemiluminesans (biolyuminesans) misollari.

Biofiziklar orasida past intensivlikdagi bioluminesans deyiladi juda kam yorug'lik, bir qator olimlar, xususan, Yu.A. tomonidan faol o‘rganilgan. Vladimirov.

Biologik tizimlarda xemiluminesans lipid peroksid erkin radikallarining rekombinatsiyasi jarayonida sodir bo'lishi ko'rsatildi: RO 2 + RO 2 -- qo'zg'atilgan mahsulot -- mahsulot + + xemiluminesans kvanti.

O'rganilayotgan biologik tizimlar, masalan, temir tuzlari qo'shilsa, xemiluminesansning intensivligi sezilarli darajada oshadi. Shaklda. 29.18 temir temirni kiritish vaqtida mitoxondriya suspenziyasida luminesans intensivligining oshishini ko'rsatadi. Agar shunga o'xshash tajriba yiringli appenditsit yoki xoletsistitda qon plazmasi bilan o'tkazilsa, birinchi holatda porlash ancha zaif ekanligini ko'rish mumkin. Shunday qilib, diagnostika usuli sifatida kimilyuminesansdan foydalanish mumkin.

29.9. FOTOBIOLOGIK JARAYONLAR

Fotobiologik jarayonlar biologik funktsional molekulalar tomonidan yorug'lik kvantlarining yutilishi bilan boshlanadigan va organizm yoki to'qimalarda mos keladigan fiziologik reaktsiya bilan yakunlanadigan jarayonlar deb ataladi.

Yorug'likning biologik jarayonlarning borishiga ta'sirining muhim xarakteristikasi fotobiologik ta'sir spektri - fotobiologik effektning ta'sir qiluvchi yorug'lik to'lqin uzunligiga bog'liqligi. Harakatlar spektrlari spektrning qaysi mintaqasi biologik jarayonni eng samarali keltirib chiqarishini aniqlashga, shuningdek, bunday ta'sir mexanizmini aniqlashga imkon beradi.

Ko'rish mexanizmini tushuntirish uchun (29.10 ga qarang) va UV nurlanishining turli ta'sirini baholash uchun shifokor ushbu jarayonlarni tushunishi kerak (27.7 ga qarang).

Yorug'lik kvantini yutib (29.2-ga qarang) molekula hayajonlanadi. Qo'zg'alish energiyasi boshqa molekulalarga o'tkazilishi mumkin. Fotobiologik jarayon uchun bunday qo'zg'alish natijasida kimyoviy transformatsiya (fotokimyoviy reaktsiya) sodir bo'lishi juda muhimdir. Birlamchi fotokimyoviy aktdan keyin reaksiyalar shunday rivojlanadiki, yorug'likning mavjudligi shart emas (qorong'u reaktsiyalar), oxir-oqibat ular biologik tizimning yorug'likka javob berishiga olib keladi.

Keling, ushbu jarayonning dastlabki bosqichlarini miqdoriy jihatdan ko'rib chiqaylik: yorug'likning yutilishi va birlamchi fotokimyoviy reaktsiya.

29.2 ga o'xshab biz foton molekulasining samarali yutilish kesimi tushunchasini kiritamiz s. Buger-Lambert-Beer qonunining kelib chiqishidan farqi kamida quyidagicha: birinchidan, faollashtirilgan molekulalar sonining kamayishini hisobga olamiz, chunki yorug'lik ta'siri ularning o'zgarishiga olib keladi; ikkinchidan, suyultirilgan eritmaning etarlicha yupqa qatlamini ko'rib chiqing, bu bizga yorug'lik intensivligini o'qishga imkon beradi. men 0 doimiy va butun eritmada bir xil.

Yorug'lik ta'sirida molekulalarning dn konsentratsiyasining elementar pasayishi quyidagilarga proportsionaldir:

Konsentratsiyalar n molekulalar;

Samarali yutilish kesimi s;

Nurlanish vaqti dt;

Vaqt birligida hujayra yuzining 1 m 2 maydonidan o'tadigan fotonlar soni (I 0):

Bu yerda I 0 t = D0- nurlanish dozasi va sph ch = s ch - fotokimyoviy o'zgarish uchun molekulaning ko'ndalang kesimi maydoni, fotonning molekula bilan bunday o'zaro ta'sir qilish ehtimoli bilan proportsionaldir, buning natijasida fotokimyoviy reaktsiya paydo bo'ladi. .

ph ch ni topish uchun ln (" 0 / n t) = bog'liqlik grafigini tuzing. f(D0) va toʻgʻri chiziqning qiyaligi boʻylab [qarang (29.24)] bu qiymatni aniqlang (29.19-rasm).

Fotokimyoda s ch (l) bog‘liqligi harakat spektri deyiladi. Bu munosabatni munosabatlar yordamida topish mumkin σ χ = chch. Gap shundaki, kvant

Eritmalardagi fotokimyoviy reaksiyalarning umumiy unumi ta'sir etuvchi yorug'likning to'lqin uzunligiga bog'liq emas. (φ χ = const). Jismoniy jihatdan bu shuni anglatadiki, qo'zg'alish energiyasi hv dan qat'i nazar, molekula qo'zg'aladi (28.9-ga qarang) va fotokimyoviy transformatsiyani boshlashi mumkin. Buni hisobga olsak, s ch (l) ta'sir spektri va yutilish spektri (29.2-ga qarang) - s (l) bog'liqligi - bir xil shaklga ega, deb xulosa qilishimiz mumkin, chunki ular faqat o'zgarmas omil ph ch bilan farqlanadi. Bunday

Bu xususiyat fotobiologik ta'sir spektrini turli biokimyoviy birikmalarning yutilish spektrlari bilan taqqoslash orqali yorug'lik va, xususan, ultrabinafsha nurlanishining ta'sir qilish mexanizmini aniqlashga imkon beradi.

Masalan, ultrabinafsha nurlanish ta'sirida bakterial o'lim egri chizig'i (fotobiologik ta'sir spektri) nuklein kislotalarning yutilish spektriga o'xshashligi aniqlandi. Bu bakteriyalarning nobud bo'lishi nuklein kislotalarning shikastlanishi bilan bog'liq degan xulosaga kelish uchun asos bo'ldi.

26.4 da ko'zning yorug'lik o'tkazuvchi qismining xususiyatlari ko'rib chiqildi. Yorug'likni ko'z bilan idrok etish fotobiologik jarayondir, shuning uchun bu erda yorug'likni idrok etuvchi apparatning ishlash mexanizmi ko'rib chiqiladi.

29.10. VISUAL QABUL QILIShNING BİOFIZIK ASOSLARI

Yorug'likka sezgir ko'rish hujayralari - tayoqchalar va konuslar yorug'lik hissi qo'zg'alishida turli rol o'ynaydi. Rodlar yorug'likka ko'proq sezgir, lekin ranglarni ajratmaydi. Konuslar ranglarni ajratib turadi; bundan tashqari, ob'ektning etarlicha yorqinligi bilan ular tasvir tafsilotlarini idrok etishga sezgir, shuning uchun ko'zning o'lchamlari retinada konuslarning joylashishiga bog'liq (26.4-ga qarang).

Rodlar alacakaranlık va akromatik ko'rish apparatlariga, konuslar esa kun va rangga tegishli.

Avval ko'zning yorug'lik va rangga sezgirligi haqidagi ba'zi umumiy savollarni ko'rib chiqing.

Ko'zning yorug'lik sezuvchanligi pol yorqinligining o'zaro ta'siri, ya'ni. berilgan ko'rish sharoitida vizual tuyg'u hosil qiluvchi minimal yorqinlik.

Ko'zning yorug'lik sezuvchanligi vizual tufayli keng doirada o'zgaradi moslashish- ko'zning turli yorqinliklarga moslashish qobiliyati. Moslashuv quyidagi yo'llar bilan amalga oshiriladi:

1) ko'z qorachig'ining diametrini 2 dan 8 mm gacha o'zgartirish orqali, bu yorug'lik oqimini 16 marta o'zgartiradi;

2) parchalanmagan fotosensitiv moddaning kontsentratsiyasining pasayishi;

3) koroidga joylashtirilgan va moslashish jarayonida shishasimon tana tomon harakatlana oladigan quyuq pigment bilan konus va tayoqlarni ekranlash;

4) ob'ektning yorqinligiga qarab, novda va konuslarning yorug'lik hissi qo'zg'alishida ishtirok etish darajasining o'zgarishi.

Moslashuv ko'zning 10 -7 dan 10 5 cd / m 2 gacha yorqinlik oralig'ida normal ishlashiga imkon beradi. Pastki chegara yoki to'liq qorong'i moslashuv bilan ko'zning yorug'lik sezuvchanligining mutlaq chegarasi soniyada yuzga yaqin fotonni tashkil qiladi. Ularning atigi 10% ga yaqini retinal tayoqchalardagi ko'rish pigment molekulalari tomonidan so'riladi, qolgan qismi esa shox pardadan aks etadi, ko'zning optik muhiti tomonidan so'riladi yoki to'r parda orqali o'tadi va pigment epiteliy hujayralarida so'riladi. . Retina ostidagi pigment epiteliysining mavjudligi ko'zning orqa devoridan yorug'likning aks etishi va tarqalishini sezilarli darajada kamaytiradi. Inson ko'zi to'lqin uzunligi taxminan 400 dan 760 nm gacha bo'lgan elektromagnit to'lqinlarga javob beradi. Ko'zning spektral sezgirligi bilan tavsiflanadi radiatsiya ko'rinishi:

Kunduzgi ko'rishning maksimal egri chizig'i atmosfera orqali o'tgan va Yer yuzasiga tushgan quyosh radiatsiyasining maksimal darajasiga to'g'ri keladi (27.4 ga qarang), bu inson ko'zini tashkil qilishning maqsadga muvofiqligini ko'rsatadi.

Rod yorug'likka sezgir tashqi segmentdan iborat (29.21-rasm). 1 va ichki segment 2, hujayraning ishlashini ta'minlaydigan yadro va mitoxondriyalarni o'z ichiga oladi. Tashqi segmentning ichida yupqa disklar mavjud 3 diametri taxminan 6 mkm. Har bir disk ikki qavatli membranadan iborat bo'lib, yassilangan lipozomaga o'xshaydi (13.1 ga qarang). Vizual pigment vizual disklarga o'rnatilgan.

ment - rodopsin. Bitta katakdagi disklar soni bir necha yuzta bilan o'lchanadi. Ichki segmentdan nerv tolasi bilan bog'lanish mavjud.

Rodopsin - molekulyar og'irligi taxminan 40 000 bo'lgan murakkab oqsil. Agar uning shakli sharsimon bo'lsa, molekulasining diametri 4 nm.

Rodopsin opsin oqsili va xromofor guruhi - retinaldan iborat.

Retinal, umuman olganda, bir nechta fazoviy izomerlarga ega bo'lishi mumkin, lekin faqat P-cisretinal opsin bilan bog'lanadi (29.22-rasm). Yorug'lik ta'sirida retinal rodopsindan ajraladi va doimiy trans izomerning eng barqaror konformatsiyasiga o'tadi.

Retinaning strukturasidagi o'zgarishlar natijasida rodopsin pozitsiyasining o'zgarishi bilan bog'liq disk membranasida o'zgarishlar yuz beradi. Rodopsin interdiskal gidrofil sirtdan membrananing ichki girofob fazasiga o'tadi.

Agar qorong'uda disk membranasi Na+, K+, Ca 2+ va boshqalarni o'tkazmaydigan bo'lsa, u holda yorug'lik natijasida rodopsinning konformatsion o'zgarishi membrana holatining o'zgarishiga olib keladi: ba'zi ionlar uchun o'tkazuvchanlik kuchayadi. . Bu jarayonlarda rodopsinning vazifasi shundaki, u yorug'lik ta'sirida disklarda ba'zi ionlar uchun teshiklarning paydo bo'lishiga yordam beradi va natriy ionlari uchun tashqi membranadagi kanallarni yopadi. Bu nerv impulsini keltirib chiqaradigan potentsiallarning paydo bo'lishiga olib keladi. Retinaning tayoqchalarining tashqi segmentlarining o'ziga xos xususiyati shundaki, zulmatda potentsial boshqa hujayralar potentsialidan farqli o'laroq, natriy xususiyatga ega (13.7 ga qarang). Yorug'lik ta'sirida rodopsin strukturasining o'zgarishi natijasida membranalarning natriy uchun o'tkazuvchanligi keskin kamayadi, boshqa ionlar uchun esa yo'q.

o'zgarmoqda. Bunday holda, kaliy uchun o'tkazuvchanlik birinchi o'rinda turadi, potentsial kaliy xarakteriga ega bo'ladi va uning qutbliligi o'zgaradi. Bu boshqa barcha ma'lum hujayralardan farqli o'laroq, novdalarning tashqi segmentlarining sitoplazmatik membranasida potentsialning ichida ortiqcha belgisi va tashqarisida minus belgisi bor.

Konusning pigmenti, shuningdek, rodopsin kabi P-sisretinalni ham o'z ichiga oladi, lekin pigmentning oqsil qismi boshqacha, shuning uchun konusning pigmentlari yodopsinlar deb ataladi.

Konusning alohida navlarining yutilish spektrlarini o'lchash har bir konusning ma'lum bir turdagi yodo-psinni o'z ichiga olishini ko'rsatdi. Odam konusning yodopsinlari 445, 535 va 570 nm da yutilish maksimaliga ega (29.23-rasm). Ushbu ma'lumot rangni ko'rishning uch komponentli nazariyasiga asoslanadi. Ba'zi genetik kasalliklarda yodopsin oqsillarining sintezi buziladi va ko'z qizil va yashil ranglarni ajrata olmaydi (rang ko'rligi).

§ 6 Absorbtsiya.

Spontan va rag'batlantirilgan emissiya

Oddiy sharoitlarda (tashqi ta'sirlar bo'lmaganda) atomlardagi elektronlarning ko'p qismi eng past qo'zg'almas darajada bo'ladi. E 1, ya'ni. atomda ichki energiyaning minimal ta'minoti, qolgan darajalari mavjud E 2 , E 3 ....E n qo'zg'atilgan holatlarga mos keladigan, elektronlarning minimal populyatsiyasiga ega yoki umuman erkin. Agar atom asosiy holatda bo'lsa E 1 , keyin tashqi radiatsiya ta'siri ostida, bilan hayajonlangan holatga majburiy o'tish E 2. Bunday o'tishlarning ehtimoli bu o'tishlarni keltirib chiqaradigan radiatsiya zichligiga mutanosibdir.

Atom hayajonlangan holatda bo'lgan 2, bir muncha vaqt o'tgach, o'z-o'zidan (tashqi ta'sirlarsiz) o'z-o'zidan kamroq energiyaga ega bo'lgan holatga o'tishi mumkin va bu shaklda ortiqcha energiyani chiqaradi. elektromagnit nurlanish, ya'ni. foton chiqarish.

Har qanday tashqi ta'sirsiz qo'zg'aluvchi atom tomonidan fotonni chiqarish jarayoni deyiladi spontan (spontan) emissiya. O'z-o'zidan o'tish ehtimoli qanchalik katta bo'lsa, hayajonlangan holatda atomning o'rtacha umri shunchalik qisqa bo'ladi. Chunki o'z-o'zidan o'tishlar o'zaro bog'liq emas, demak spontan emissiya izchil emas.

Agar qo'zg'algan holatda bo'lgan atom 2 chastotali tashqi nurlanishga duchor bo'lsahn = E 2 - E 1, keyin bir xil energiyaga ega bo'lgan fotonning emissiyasi bilan asosiy holat 1 ga majburiy (induktsiyalangan) o'tish mavjud.hn = E 2 - E bitta. Bunday o'tishda atom tomonidan nurlanish sodir bo'ladi qo'shimcha ravishda o'tish sodir bo'lgan fotonga. Tashqi ta'sir natijasida paydo bo'lgan radiatsiya deyiladi majbur. Shunday qilib, in jarayon rag'batlantirilgan emissiya ikkita foton ishtirok etadi: qo'zg'atilgan atom tomonidan nurlanishni keltirib chiqaradigan birlamchi foton va atom tomonidan chiqariladigan ikkilamchi foton. Ikkilamchi fotonlar ajratib bo'lmaydigan boshlang'ichdan.

Eynshteyn va Dirak rag'batlantiruvchi emissiya rag'batlantiruvchi emissiya bilan bir xil ekanligini isbotladilar: ular bir xil faza, chastota, qutblanish va tarqalish yo'nalishiga ega.Þ Rag'batlantirilgan emissiya qat'iy izchil majburiy emissiya bilan.

Chiqarilgan fotonlar bir yo'nalishda harakatlanib, boshqa hayajonlangan atomlar bilan uchrashib, keyingi induksiyalangan o'tishlarni rag'batlantiradi va fotonlar soni ko'chki kabi o'sadi. Biroq, stimulyatsiya qilingan emissiya bilan bir qatorda, so'rilish sodir bo'ladi. Shuning uchun, tushayotgan nurlanishni kuchaytirish uchun stimulyatsiya qilingan emissiyadagi fotonlar soni (qo'zg'algan holatlar populyatsiyasiga mutanosib) so'rilgan fotonlar sonidan ko'p bo'lishi kerak. Tizimda atomlar termodinamik muvozanatda, yutilish stimulyatsiya qilingan emissiyadan ustun bo'ladi, ya'ni. Materiyadan o'tayotganda, hodisa nurlanishi zaiflashadi.

Muhitning radiatsiya hodisasini kuchaytirishi uchun uni yaratish kerak tizimning muvozanatsiz holati, bunda qo'zg'atilgan holatdagi atomlar soni asosiy holatga qaraganda ko'proq. Bunday davlatlar deyiladi bilan davlatlar populyatsiya inversiyasi. Moddaning muvozanatsiz holatini yaratish jarayoni deyiladi pompalanadi. Pompalash optik, elektr va boshqa usullar bilan amalga oshirilishi mumkin.

Invert populyatsiyasi bo'lgan ommaviy axborot vositalarida rag'batlantirilgan emissiya absorbsiyadan oshib ketishi mumkin, ya'ni. muhitdan o'tganda tushayotgan nurlanish kuchayadi (bu muhitlar faol deb ataladi). Bouger qonunida bu ommaviy axborot vositalari uchunI = I 0e- ax , yutilish koeffitsienti a - salbiy.

§ 7. Lazerlar - optik kvant generatorlari

60-yillarning boshlarida optik diapazonning kvant generatori yaratildi - lazer " Radiatsiyaning rag'batlantirilgan emissiyasi orqali yorug'likni kuchaytirish ” - nurlanishning induksiyalangan emissiyasi orqali yorug'likning kuchayishi. Lazer nurlanishining xususiyatlari: yuqori monoxromatiklik (juda yuqori yorug'lik chastotasi), aniq fazoviy orientatsiya, ulkan spektr yorqinligi.

Kvant mexanikasi qonunlariga ko'ra, atomdagi elektronning energiyasi o'zboshimchalik bilan emas: u faqat ma'lum (diskret) E 1, E 2, E 3 ... E qiymatlariga ega bo'lishi mumkin. n chaqirdi energiya darajalari. Bu qiymatlar turli atomlar uchun farq qiladi. Ruxsat etilgan energiya qiymatlari to'plami deyiladi energiya spektri atom. Oddiy sharoitlarda (tashqi ta'sirlar bo'lmaganda) atomlardagi elektronlarning ko'pchiligi eng past hayajonlangan E 1 darajasida, ya'ni. atom ichki energiyaning minimal ta'minotiga ega; boshqa darajalar E 2, E 3 ..... E n atomning yuqori energiyasiga mos keladi va deyiladi hayajonlangan.

Elektronning bir energiya darajasidan ikkinchisiga o'tishi paytida atom elektromagnit to'lqinlarni chiqarishi yoki yutishi mumkin, ularning chastotasi n m n \u003d (E m - E n) h,

qaerda h - Plank doimiysi ( h = 6,62 10 -34 J s);

E n - final, E m - Birinchi daraja.

Hayajonlangan atom tashqi manbadan olingan yoki elektronlarning issiqlik harakati natijasida olingan ortiqcha energiyasining bir qismini ikki xil usulda berishi mumkin.

Atomning har qanday qo'zg'aluvchan holati beqaror bo'lib, uning elektromagnit nurlanish kvantining chiqishi bilan pastroq energiya holatiga o'z-o'zidan o'tish ehtimoli doimo mavjud. Bunday o'tish deyiladi o'z-o'zidan(spontan). Bu tartibsiz va tartibsiz. Barcha oddiy manbalar yorug'likni o'z-o'zidan chiqarish orqali hosil qiladi.

Bu emissiyaning birinchi mexanizmi (elektromagnit nurlanish). Ko'rib chiqilganda ikki darajali sxema yorug'lik emissiyasi, nurlanishning kuchayishiga erishib bo'lmaydi. So'rilgan energiya h n bir xil energiyaga ega kvant sifatida chiqariladi h n va siz gaplashishingiz mumkin termodinamik muvozanat: gazdagi atomlarning qo'zg'alish jarayonlari doimo emissiyaning teskari jarayonlari bilan muvozanatlanadi.

§2 Uch darajali sxema

Termodinamik muvozanatdagi moddaning atomlarida har bir keyingi qo'zg'atilgan darajada oldingisiga qaraganda kamroq elektronlar mavjud. Agar biz tizimda 1 va 3 darajalar orasidagi o'tish bilan rezonansga tushadigan chastotali hayajonli nurlanish bilan harakat qilsak (sxematik ravishda 1).→ 3), u holda atomlar bu nurlanishni o'zlashtiradi va 1-darajadan 3-darajaga o'tadi. Agar nurlanish intensivligi etarlicha yuqori bo'lsa, u holda 3-darajaga o'tgan atomlar soni sezilarli bo'lishi mumkin va biz muvozanatni buzgan holda aholi darajasining taqsimlanishi 3-darajali aholi sonini oshiradi va shuning uchun 1-darajali aholi sonini kamaytiradi.

Yuqori uchinchi darajadan o'tish mumkin 3→ 1 va 3 → 2. Ma'lum bo'lishicha, o'tish 3→ 1 E 3 -E 1 = energiya emissiyasiga olib keladi h n 3-1 va o'tish 3 → 2 radiatsiyaviy emas: u 2-oraliq darajadagi ''yuqoridan'' populyatsiyasiga olib keladi (elektron energiyasining bir qismi ushbu o'tish paytida moddaga beriladi, uni qizdiradi). Bu ikkinchi daraja deb ataladi metastabil, va natijada uning ustida birinchisiga qaraganda ko'proq atom bo'ladi. Atomlar 1-darajali zamin darajasidan 3-ustki holatga qadar 2-darajaga etib kelgani va "katta kechikish" bilan yana zamin darajasiga qaytganligi sababli, 1-daraja "tugaydi".

Natijada, mavjud inversiya, bular. darajadagi populyatsiyalarning teskari taqsimoti. Energiya darajalarining populyatsiya inversiyasi deb ataladigan kuchli yordamchi nurlanish tomonidan yaratiladi nasos nurlanishi va oxir-oqibat olib keladi qo'zg'atilgan(majburiy) fotonlarni teskari muhitda ko'paytirish.

Har qanday generatorda bo'lgani kabi, lazerda ham ishlab chiqarish rejimini olish kerak qayta aloqa. Lazerda teskari aloqa nometall yordamida amalga oshiriladi. Kuchaytiruvchi (faol) vosita ikkita ko'zgu orasiga joylashtiriladi - tekis yoki ko'pincha konkav. Bir oyna qattiq, ikkinchisi qisman shaffof.

Avlod jarayoni uchun "urug'" fotonning o'z-o'zidan emissiyasidir. Bu fotonning muhitdagi harakati natijasida u bir yo'nalishda uchadigan fotonlarning ko'chkisini hosil qiladi. Shaffof oynaga etib borganida, ko'chki qisman aks etadi va qisman oyna orqali tashqi tomonga o'tadi. O'ng oynadan aks etgandan so'ng, to'lqin kuchayib borishda davom etib, orqaga qaytadi. Masofa bosib o'tishl, u chap oynaga etib boradi, aks etadi va yana o'ng oynaga shoshiladi.

Bunday sharoitlar faqat eksenel to'lqinlar uchun yaratilgan. Boshqa yo'nalishlarning kvantlari faol muhitda saqlanadigan energiyaning sezilarli qismini ololmaydi.

Lazerdan chiqadigan to'lqin deyarli tekis jabhaga ega va butun nurning kesishmasi bo'ylab yuqori fazoviy va vaqtinchalik kogerentlik darajasiga ega.

Lazerlarda faol muhit sifatida turli gazlar va gaz aralashmalari ishlatiladi ( gaz lazerlari), ma'lum ionlarning aralashmalari bo'lgan kristallar va stakanlar ( qattiq holatdagi lazerlar), yarimo'tkazgichlar ( yarimo'tkazgichli lazerlar).

Qo'zg'alish usullari (nasos tizimida) faol muhit turiga bog'liq. Bu gaz chiqarish plazmasidagi (gaz lazerlari) zarrachalarning to'qnashuvi natijasida qo'zg'alish energiyasini uzatish usuli yoki faol markazlarni maxsus manbalardan noo'rin nur bilan nurlantirish orqali energiya uzatish (qattiq holatdagi lazerlarda optik nasos), yoki muvozanatsiz tashuvchilarni p- orqali in'ektsiya qilish n - o'tish, elektron nur bilan qo'zg'alish yoki optik nasos (yarim o'tkazgich lazerlari).

Hozirgi vaqtda juda ko'p sonli turli xil lazerlar yaratilgan bo'lib, ular to'lqin uzunliklarining keng diapazonida (200) nurlanish hosil qiladi.¸ 2 10 4 nm). Lazerlar juda qisqa yorug'lik impulslari bilan ishlaydi. t » 1·10 -12 s ham uzluksiz nurlanishni berishi mumkin. Lazer nurlanishining energiya oqimining zichligi taxminan 10 10 Vt / sm 2 ni tashkil qiladi (Quyoshning intensivligi faqat 7 · 10 3 Vt / sm 2).

Hozirgacha neytrino fotonga juda o'xshash edi. Foton kabi, neytrino zaryadsiz, massasi yo'q va doimo yorug'lik tezligida harakat qiladi. Ikkala zarrachada ham spin bor. Foton spini +1 yoki -1, neytrino spini esa +1/2 yoki -1/2 (farq juda muhim emas). Shunga qaramay, ular o'rtasida qiziqarli va hatto hayratlanarli farq bor, uni quyidagi fikrlar tushunishga yordam beradi.

Keling, vaqtga teskari bo'lgan ikkita hodisani kuzataylik. To'pni ushlab turgan odam uni, aytaylik, janubga tashlasin. Agar to'p odamga yaqinlashsa, qarama-qarshi yo'nalishda harakatlansa, odam qo'lini ko'taradi va uni ushlaydi. Birinchi holda, voqealar ketma-ketligi quyidagicha edi: 1) odam to'pni ushlab turibdi, 2) odam to'pni tashlamoqda, 3) to'p janubga uchmoqda. Vaqtni teskari harakatda turli xil voqealar ketma-ketligi bor edi: 1) to'p shimolga uchadi, 2) odam to'pni ushlab oladi, 3) odam to'pni ushlab turadi. Bularning barchasi birinchi navbatda bir yo'nalishda, keyin esa teskari yo'nalishda aylantirilgan filmni juda eslatadi.

Keling, bu tamoyilni subatomik dunyoga o'tkazishga harakat qilaylik.Agar atomdagi elektron qo'zg'aluvchan holatdan kamroq qo'zg'aluvchan holatga o'tsa, u ko'rinadigan yorug'lik fotonini chiqaradi, uning to'lqin uzunligi ikki qo'zg'aluvchan holat orasidagi energiya farqiga bog'liq. atomdan. Xuddi shu atom aynan bir xil toʻlqin uzunligiga ega fotonni oʻzlashtira oladi yoki “tutib oladi” va elektron kamroq qoʻzgʻaluvchan holatdan koʻproq qoʻzgʻaluvchan holatga oʻtadi. Har bir turdagi atom ma'lum to'lqin uzunlikdagi fotonlarni chiqaradi (uning qo'zg'atilgan holatlarining energiyasiga qarab) va to'g'ri sharoitda aynan bir xil to'lqin uzunlikdagi fotonlarni yutadi.

Shunga qaramay, to'g'ridan-to'g'ri va vaqtga teskari hodisa o'rtasidagi farq faqat yo'nalish va ketma-ketlikning o'zgarishi emas. To'pni ushlab olish uni tashlashdan ko'ra qiyinroq. To'pni tashlash orqali siz ko'chmas ob'ektni harakatga keltirasiz va hamma narsa faqat sizga bog'liq. Vaqtingiz bilan siz to'pni yaxshiroq qabul qilishingiz, ehtiyotkorlik bilan nishonga olishingiz va h.k. To'pni ushlaganingizda, harakatlanuvchi narsa bilan shug'ullanishingiz kerak va esnashga vaqtingiz yo'q. To'p yaqinlashganda, uni tezda qo'lga olish kerak, chunki to'p soniyaning bir qismiga yaqin joyda qoladi. O'sha soniyada siz qo'lingizni to'p yo'nalishi bo'yicha to'liq cho'zish va uni to'xtatish uchun vaqtingiz bo'lishi kerak. Agar o'tkazib yuborsangiz, to'p o'tib ketadi.

Xuddi shu narsa foton chiqaradigan atom bilan sodir bo'ladi. Bunday atom o'rtacha 10 -8 ga yaqin vaqt ichida foton chiqaradi sek. Binobarin, atom, ta'bir joiz bo'lsa, o'z vaqtini boshqaradi va o'ziga qulay bo'lganda foton chiqaradi.

Xuddi shu fotonni yutish uchun atomga 10 -8 kerak bo'ladi sek, bu hodisalarning qaytarilishining tabiiy natijasidir. Ammo atom ko'p muammosiz fotonni o'zlashtira olmaydi. Foton yorug'lik tezligida harakat qiladi va butun 10 -8 vaqt oralig'ida atom yaqinida qolmaydi sek. Bunday vaqt oralig'ida yorug'lik fotoni o'rtacha 300 ta uchadi sm. Ba'zi fotonlar uzoqroq masofani bosib o'tishlari mumkin, boshqalari esa kamroq. Atomlarning fotonlarni ushlashi odatda nima uchun juda qiyinligi aniq: axir, atomning o'lchami bu masofadan ancha kichikroq! (Shunga o'xshab, basketbolchilar juda tez ketadigan to'plarni ushlashda qiynaladilar.) Biroq, tasodifan, atom fotonni ushlashi va yutishi mumkin.

Yuqorida aytilganlarning barchasi fotonning ichki o'lchamlari yo'qligini taxmin qiladi; aslida juda katta bo'lsa ham. Ko'rinadigan yorug'likning odatiy fotoni to'lqin uzunligi taxminan 1/20 000 ga teng sm. Bu uzunlikda mingga yaqin atom bir qatorga to'g'ri keladi. Ko'rinadigan yorug'lik fotonni diametri atom diametridan ming marta, hajmi esa atomning hajmidan 1 000 000 000 marta katta bo'lgan bir xil sfera deb hisoblash mumkin. Har qanday vaqtda yorug'lik fotoni milliardga yaqin atomlar bilan aloqa qiladi, ulardan biri uni ushlaydi va so'radi.

Shuning uchun fotonning yutilishdan oldin moddaga kirish chuqurligi 300 ga teng emas. sm, va milliard marta kamroq, ya'ni 3 10 -7 sm.

Bu masofada bir qatorga 10-15 dan ortiq atom sig'maydi. Bu yorug'lik fotoni yutilish momentidan oldin moddaga 10-15 atom qatlamidan chuqurroq kirib borishini anglatadi. Qalinligi 10-15 atomli oddiy tarozida oddiygina arzimas narsadir, shuning uchun ko'pchilik qattiq jismlar, hatto yupqa plyonkalar ko'rinishida ham, yorug'lik uchun noaniqdir (garchi oltin folga shunchalik nozik bo'lishi mumkinki, shaffof bo'ladi).

Yorug'likning to'lqin uzunligi qanchalik qisqa bo'lsa, foton shunchalik kichik bo'lsa, har qanday vaqtda u bilan aloqa qiladigan atomlar kamroq bo'ladi va shuning uchun u so'rilishidan oldin materiya bo'ylab uzoqroq harakat qiladi. Aynan shuning uchun ultrabinafsha nurlar inson terisiga ko'rinadigan yorug'likdan ko'ra chuqurroq kiradi; rentgen nurlari tananing yumshoq to'qimalari orqali erkin o'tadi va faqat zichroq suyak moddasi tomonidan to'xtatiladi; a?-nurlari zich moddalarga ko'p santimetr kirib boradi. (Albatta, ko'rinadigan yorug'lik shisha yoki kvarts kabi moddalarda ancha masofani bosib o'tadi, aksariyat suyuqliklarni hisobga olmaganda, lekin bularning barchasi alohida fikrlardir.)

Keling, yuqorida aytilganlarning barchasini neytrinolar va antineytrinolarga nisbatan ishlatishga harakat qilaylik. Proton, elektron va antineytrino hosil bo'lishiga olib keladigan neytron parchalanish reaktsiyasini yana bir bor yozamiz:

P> p++ e -+ "?.

Faraz qilaylik, mos sharoitlarda teskari jarayon mumkin, bunda proton elektron va antineytrinoni tutib, neytronga aylanadi. Keyin fikr-mulohaza quyidagicha ko'rinadi:

p++ e -+ "? > P.

Tabiiyki, proton bir vaqtning o'zida elektron va antineytrinoni ushlashi kerak, bu esa ehtimollikni sezilarli darajada kamaytiradi. muvaffaqiyatli yakunlash jarayon. (Bu basketbolchidan bir qo'li bilan bir vaqtning o'zida ikkita to'pni ushlab, unga turli yo'nalishlardan uchib tushishini so'rashga tengdir.)

Vazifani soddalashtirish uchun biz chaqiruv tartibini o'zgartiramiz. Elektronni yutuvchi har qanday jarayon pozitron hosil qiluvchi jarayon bilan almashtirilishi mumkin. (Algebrada ham shunga o'xshash qoida mavjud: -1 ni ayirish +1 qo'shish bilan bir xil.) Boshqacha qilib aytganda, proton bir vaqtning o'zida elektron va antineytrinoni yutish o'rniga, antineytrinoni yutib, pozitron chiqarishi mumkin:

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

Reaksiyaning bu varianti bilan saqlanish qonunlari qondiriladi. Proton neytron bilan almashtirilganligi sababli (ikkalasi ham barion soni +1 bo'lgan) va antineytrino pozitronga (ikkalasi ham lepton soni -1 bo'lgan) almashtirilganligi sababli, barion va lepton sonining saqlanish qonunlari amal qiladi.

Antineytrinoning proton tomonidan yutilish ehtimolini hisobga olish kerak. Neytronlarning yarimparchalanish davri 12,8 ga teng min, Garchi individual neytronlar parchalanishi uchun 12,8 dan ko'proq yoki kamroq kerak bo'lsa-da min. Binobarin, antineytrino proton tomonidan tutilib, pozitron chiqarilganda neytron hosil bo'lishi uchun o'rtacha 12,8 min. Boshqacha qilib aytganda, antineytrino proton tomonidan o'rtacha 12,8 ga so'riladi min.

Ammo neytrinolar yorug'lik tezligida va 12,8 da harakatlanadi min 2,3 10 8 masofani bosib o‘tadi km(ya'ni, Quyoshdan Marsgacha bo'lgan masofaga taxminan teng bo'lgan yo'l). Antineytrino qattiq moddada yutilishdan oldin shunchalik katta masofani bosib o'tishi mumkinligiga ishonish qiyin, hatto uning hajmi foton hajmiga teng deb taxmin qilsak ham. Ammo aslida antineytrinolar atomdan ancha kichikdir.

Haqiqatda esa vaziyat ancha murakkabroq.Fotonlarda yutilish atom hajmining katta qismini egallagan elektronlar hisobiga sodir bo`ladi, qattiq moddada esa atomlar bir-biriga mahkam tutashadi. Antineytrinolar atom yadrolarida joylashgan, atomning ahamiyatsiz qismini egallagan protonlar tomonidan so'riladi. Antineytrinolar uchib o'tadi qattiq, juda kamdan-kam hollarda mayda yadro bilan to'qnashadi. Antineytrino atom ichida bo'lgan vaqtning atigi yuz milliondan birida u protonga shunchalik yaqinki, ikkinchisi uni tuta oladi. Shuning uchun antineytrino proton tomonidan ushlanib qolishning ma'lum bir imkoniyatiga ega bo'lishi uchun u qattiq moddada 230 000 000 dan yuz million marta uzunroq yo'l bosib o'tishi kerak. km. Aniqlanishicha, antineytrino so‘rilishidan oldin qo‘rg‘oshin ichida o‘rtacha 3500 yorug‘lik yili masofani bosib o‘tishi kerak.

Tabiiyki, koinotning hech bir joyida qalinligi 3500 yorug‘lik yili bo‘lgan qo‘rg‘oshin qatlami yo‘q. Koinot fazoda juda kam tarqalgan alohida yulduzlardan iborat bo'lib, har qanday yulduzning diametri milliondan birdan kam. yorug'lik yili. Ko'pgina yulduzlar qo'rg'oshinga qaraganda zichroq materiyadan iborat. Nisbatan kichik yulduz yadrosining o'ta zich moddasi bundan mustasno. (Koinotda o'ta zich yulduzlar ham bor, lekin ular juda kichik - yo'q ko'proq sayyoralar.) Ammo yulduzlarning o'ta zich qismlari ham antineytrinolarni to'xtata olmaydi. Koinot bo'ylab istalgan yo'nalishda uchib yurgan antineytrinolar juda kamdan-kam hollarda yulduzdan o'tadilar va kamdan-kam hollarda uning o'ta zich yadrosidan o'tadilar. Ko'rinadigan koinotning bir chetidan ikkinchi chetiga uchib o'tadigan antineytrino o'tadigan yulduz materiyasining umumiy qalinligi bir yorug'lik yilidan ancha kam.

Bu erda antineytrinolar haqida aytilganlarning barchasi, albatta, neytrinolarga tegishli va shuning uchun neytrinolar va antineytrinolar amalda so'rilmaydi, deb bahslashish mumkin. Ba'zi bir subatomik jarayonda paydo bo'lgandan so'ng, ular abadiy harakat qiladilar va atrofdagi hamma narsaning o'zgarishi va ta'siriga duchor bo'lmaydilar. Vaqti-vaqti bilan ular so'riladi, ammo so'rilgan neytrinolar soni allaqachon mavjud va yangi paydo bo'lganlarning ko'pligi bilan solishtirganda ahamiyatsiz. Zamonaviy bilimlar bizga ishonch bilan aytishga imkon beradiki, koinot hayoti davomida paydo bo'lgan deyarli barcha neytrinolar va antineytrinolar hozirgi kungacha mavjud.

Yuqoridagi xulosa unchalik yaxshi yangilik emas edi. Fizik neytrinolar va antineytrinolarning mavjudligi zarurligini saqlanish qonunlaridan qanchalik xulosa qilmasin, u to'g'ridan-to'g'ri kuzatish orqali haqiqatan ham mayda zarrachalarni kashf etgandagina chinakam baxtli bo'lardi. Ammo ularning mavjudligini ko'rsatish uchun u birinchi navbatda kamida bitta zarrani ushlashi kerak, ya'ni bu o'zaro ta'sirning natijasi aniqlanishi uchun uni boshqa zarracha bilan o'zaro ta'sir qilishi kerak. Va neytrinolar yoki antineytrinolarni ushlashning iloji bo'lmagani uchun, ularning mavjudligi haqiqatiga jiddiy shubha bor edi!

Natijada, fizik o'zining uch asr davomida shakllangan koinot tuzilishi haqidagi tushunchasini oddiy narsa sifatida qabul qilinishi kerak bo'lgan narsaning mavjudligini ta'kidlab, saqlab qoldi. U o'z nazariyalari asosida neytrinolarning mavjudligini isbotladi va neytrinolarning mavjudligini isbotlash orqali o'z nazariyalarini saqlab qoldi. Ma'lum bo'ldi " ayovsiz doira". Shubha va noaniqlik sabablari saqlanib qoldi. Iloji bo'lsa, neytrinolar yoki antineytrinolarni aniqlashning qandaydir usullarini ishlab chiqish juda muhim edi.

Tutib bo'lmaydigan neytrinoning deyarli o'tib bo'lmaydigan zirhidagi buzilish "o'rtacha" so'zi bilan teshilgan edi. Antineytrino so‘rilishidan oldin o‘rtacha 3500 yorug‘lik yili qalinlikdagi qattiq qo‘rg‘oshin qatlamidan o‘tadi, dedim. Lekin bu faqat o'rtacha. Ba'zi antineytrinolar qisqaroq, boshqalari uzoqroq yo'lni bosib o'tishlari mumkin va faqat bir nechtasi juda kichik yoki juda so'rilishga boradi. uzoq masofa. Shuning uchun laboratoriyada yaratish oson bo'lgan moddaning shunday qalinligida (aytaylik, bir necha metr) so'rilgan antineytrinolarning cheksiz kichik qismiga e'tibor qaratish kerak. Ushbu cheksiz kichik foizda iloji boricha ko'proq antineytrinolar bo'lishi uchun bu zarrachalarning juda kuchli manbai bo'lishi kerak. Antineytrinolarning bunday kuchli manbai yadro reaktori. Reaktorda hosil bo'lgan ortiqcha neytronlar ertami-kechmi protonlar, elektronlar va antineytrinolarga aylanadi. Reaktor to'liq quvvat bilan ishlaganda, juda ko'p miqdordagi antineytrinolar doimiy ravishda ishlab chiqariladi. 1953 yilda guruh Amerikalik fiziklar Clyde Cowan va Frederik Reines boshchiligida antineytrinolarni ro'yxatga olish bo'yicha tajribalar boshlandi. Ular zarracha manbai sifatida Janubiy Karolina shtatining Savanna daryosidagi yadro reaktoridan foydalanganlar. Bu reaktor har soniyada taxminan 10 18 antineytrino chiqaradi.

Guruch. 7. Antineytrinoni aniqlash.

Bunday son-sanoqsiz antineytrinolar uchun protonlarga boy nishon yaratish kerak edi. Eng oddiy tabiiy maqsad suvdir. Har bir suv molekulasi ikkita vodorod atomidan iborat bo'lib, ularning yadrolari proton va kislorod atomidir. Cowan va Reines beshta suv idishidan foydalangan 1.9 m va kengligi 1,4 m. Tanklarning qalinligi boshqacha edi (7-rasm). 7,6 balandlikdagi ikkita nozik tank sm nishon sifatida ishlatilgan. Yana uchta tank balandligi 60 sm detektor sifatida xizmat qilgan. Tanklar quyidagi tartibda joylashtirildi: detektor - nishon - detektor - nishon - detektor. Maqsadli tanklardagi suvda oz miqdorda erigan kadmiy xlorid bor edi. Detektor tanklarida sintillyator eritmasi bo'lgan, u subatomik zarrachani qisqa yorug'lik portlashi shaklida yutganda olingan energiyaning bir qismini chiqaradigan moddadir. Tanklarning bunday "er-xotin sendvichi" reaktordan antineytrino oqimi yo'lida joylashgan edi. Faqat kutishgina qoldi. Agar antineytrinolar haqiqatan ham mavjud bo'lsa, har 20 daqiqada (o'rtacha) ulardan biri proton tomonidan so'rilishi kerak. Ammo tanklar sayyoralararo kosmosdan doimiy kosmik nurlanishga duchor bo'lgan, havoda oz miqdordagi radioaktiv moddalar chiqaradigan zarralar tomonidan bombardimon qilingan. qurilish materiallari, tuproq. Butun qiyinchilik suv havzalarida sodir bo'lgan voqealar fonida antineytrinolarning so'rilishini ajratib ko'rsatish edi.

Avvaliga kiruvchi subatomik "shovqin" antineytrinoning so'rilishini aniqlashga to'sqinlik qildi. Asta-sekin, keraksiz nurlanish va zarralardan xalos bo'lish uchun ko'proq va samarali himoya yaratildi. Albatta, hech qanday ekranlash, metall yoki betonning qalinligi antineytrinolarni to'xtata olmadi va oxir-oqibat "shovqin" protonlar tomonidan tasodifan qo'lga kiritilgan juda kam uchraydigan antineytrinolarning zaif "shivirlashi" bilan yashirilmaydigan darajaga tushdi. Ammo bu pichirlash hali aniqlanmagan edi.

Antineytrino proton tomonidan so'rilsa, neytron va pozitron hosil bo'ladi - ajratish oson bo'lgan zarralar birikmasi. Maqsadli tanklardan birida pozitron hosil bo'lishi bilan u elektron bilan soniyaning milliondan biridan kamroq vaqt ichida o'zaro ta'sir qiladi va ikkita foton hosil bo'ladi, ularning har biri 0,51 energiyaga ega. MeV. Impulsning saqlanish qonuniga ko'ra, ikkita foton mutlaqo qarama-qarshi yo'nalishda tarqalishi kerak: agar ulardan biri nishon tankidan yuqori detektor tankiga kirsa, ikkinchisi pastki detektor tankiga tushishi kerak. Har bir aniqlash tankida yorug'lik chirog'i paydo bo'ladi. Ushbu chaqnashlar darhol suv idishlari atrofida joylashgan yuz yoki undan ortiq fotoko'paytirgichlar tomonidan avtomatik ravishda ro'yxatga olinadi.

Ammo neytron bilan nima sodir bo'ladi? Odatda u suv molekulalari orasida aylanib yuradi (ular juda kamdan-kam hollarda neytronni o'zlashtiradi), ular bilan to'qnashib, o'rtacha 12,8 dan keyin o'z-o'zidan parchalanadi. min paydo bo'lganidan keyin. Biroq, bu qadar uzoq kutishning ma'nosi yo'q, chunki parchalanish bir necha daqiqa oldin yoki keyinroq sodir bo'lishi mumkin. Bu erda maqsadli tankdagi kadmiy xlorid yordamga keladi. Neytron kadmiy atomi bilan to'qnashguncha aylanib yuradi va shu nuqtada u deyarli bir zumda so'riladi. Bu pozitronning yo'q bo'lib ketishidan keyin soniyaning bir necha milliondan bir qismi ichida sodir bo'ladi - bu davr juda qisqa va shu bilan birga ikkita hodisani o'z vaqtida ajratish uchun etarli: pozitronning yo'q qilinishi va neytronning so'rilishi. Neytron kadmiy atomi tomonidan so'rilsa, energiya chiqariladi, u darhol umumiy energiyasi 9 bo'lgan uch yoki to'rtta foton shaklida chiqariladi. Mev.

Shunday qilib, Kouen va Reyns quyidagi rasmni kuzatdilar: birinchidan, energiya 0,5 bo'lgan ikkita foton mev Har biri suv idishlarining qarama-qarshi tomonlarida ikkita fotoko'paytirgich tomonidan qayd etilgan, so'ngra soniyaning bir necha milliondan bir qismidan so'ng bir vaqtning o'zida 3 energiyaga ega uchta foton hosil bo'ladi. mev har biri (ba'zan 2,25 energiyaga ega to'rtta foton). mev har biri). Boshqa hech qanday subatomik o'zaro ta'sir voqealarning bunday ketma-ketligiga olib kelmagan. Va agar voqealarning aynan shunday yo'nalishi qayd etilgan bo'lsa, proton antineytrinoni o'zlashtiradi degan xulosaga kelish o'rinli edi, shuning uchun antineytrino haqiqatan ham mavjud.

Ammo keyin tajribachilarning ehtiyotkor ongida yana bir fikr paydo bo'ldi. Ammo bunday hodisalar ketma-ketligi bitta atom osti o'zaro ta'siridan emas, balki ikkitadan kelib chiqsa-chi?

Aytaylik, qandaydir tarzda pozitron yaratildi va soniyaning milliondan bir necha qismidan so'ng kadmiy atomi pozitrondan mustaqil ravishda mavjud bo'lgan neytronni o'ziga singdirdi. Bunday holda, ikkita, keyin esa uchta fotonning paydo bo'lishi bitta o'zaro ta'sirning (proton bilan antineytrino) emas, balki ikkita mutlaqo bog'liq bo'lmagan o'zaro ta'sirning natijasi bo'ladi. Cowan va Reines qanday o'zaro ta'sirni kuzatdilar?

Tajribachilar muammoni avval ishlayotgan reaktor, keyin esa o‘chirilgan holda o‘lchash orqali hal qilishdi. Agar reaktor o'chirilgan bo'lsa, shovqin tanklarga ta'sir qiladi va ularni antineytrinolar oqimi bilan bombardimon qilish to'xtaydi. (Aslida, atrofdagi kosmosda doimo antineytrinolar mavjud, lekin ularning soni ishlaydigan reaktor yaqinidagi antineytrinolar sonidan ancha kam.) Shuning uchun reaktor o'chirilganda, qo'shaloq tasodiflar qayd etilishi va yutilish davom etardi. antineytrinolar to'xtaydi.

Ma'lum bo'lishicha, reaktor o'chirilganida kuniga 70 ta hodisa reaktor yoqilganidan kamroq qayd etilgan. Bu shuni anglatadiki, kuniga 70 ta antineytrino so'riladi va qayd etiladi (har yigirma daqiqada bitta). Tajriba natijalarini inkor etib bo'lmaydigan dalil deb hisoblash mumkin edi va 1956 yilda Pauli antineytrinolarning mavjudligini birinchi marta bashorat qilganidan keyin yigirma besh yil o'tgach, bunday zarra nihoyat ro'yxatga olingani haqida xabar berildi. Ushbu hodisa odatda "neytrinoni aniqlash" deb ataladi, garchi antineytrino aniqlangan. Biroq, ular antineytrinoni "ushlagandan" keyin fiziklar neytrinolarning mavjudligi shubhasizdir, deb hisoblashadi.

Ko'p elektronli atomlarning spektrlari

a . Energiyani tejash qonuni. Chastota qoidasi bilan ifodalangan Bora. (7.1)

Chiqaruvchi (yutuvchi) fotonning energiyasi chiqaradigan (yutuvchi) atomning energiyalari orasidagi farqga teng.

b . Impulsning saqlanish qonuni . U o'zini namoyon qiladi nurlanishdagi erkin atom(singdirish)qayta tiklanmoqda. Agar atomning impulsini massa bilan olsak m a fotonning noldan oshib ketishidan oldin, keyin fotonning tarqalish yo'nalishi bo'yicha proyeksiyada biz tenglikni olamiz:

. (7.2)

Minus belgisi atomning yo'nalishda "sakrashini" ko'rsatadi teskari yo'nalish foton harakati. Foton yutilganda, orqaga qaytish tezligining yo'nalishi fotonning harakat yo'nalishiga to'g'ri keladi. . (7.3)

IQ, ko'rinadigan va UV diapazonlarida yorug'lik chiqishi paytida atomlarning orqaga qaytish tezligi past. Masalan, binafsha seriyali foton chiqaradigan vodorod atomi Balmer Bilan l= 410 nm, orqaga qaytish tezligini oladi v x = hçm a l = 6,6 10 -34 ç (0,001 ç 6 10 23) 410 10 -9 = 1m ç Bilan. Bu atomlarning issiqlik harakati tezligidan 1000 marta kamroq.

Orqaga qaytish tufayli radiatsiya energiyasining bir qismi atom tomonidan olib ketiladi. Shuning uchun, orqaga qaytishni hisobga olgan holda, energiyaning saqlanish qonuni quyidagi shaklni oladi: . (7.4)

Atomlarning qaytish energiyasi juda kichik. Yuqoridagi misoldagi vodorod atomi uchun u foton energiyasining 10 -8 qismidan oshmaydi. Atomlarning orqaga qaytishi tufayli chiqarilgan fotonlarning energiyasi va chastotasi kamayadi. IQ, ko'rinadigan va UV diapazonlarida qaytarilish bilan bog'liq effektlar odatda kichikligi sababli e'tiborga olinmaydi. Va faqat rentgen va gamma diapazonlarida bu effektlar sezilarli bo'ladi.

ichida . Burchak momentining saqlanish qonuni . Tajriba shuni ko'rsatadiki, fotonlar elektronlar kabi spin mexanik momentiga ega L S, bu elektronning spin mexanik momentidan ikki baravar ko'p. Harakat yo'nalishi bo'yicha proyeksiyada fotonning spin burchak momenti ikkita qiymatni qabul qilishi mumkin, ħ. (7.5)

Fotonni chiqarish yoki yutish orqali atom nafaqat energiya beradi yoki oladi, balki o'zining burchak momentini foton impulsiga teng qiymatga o'zgartiradi. Bu o'zgarish elektron buluti konfiguratsiyasining o'zgarishi (elektronning orbital momentumining o'zgarishi) tufayli ham, elektron spinining yo'nalishining o'zgarishi tufayli ham sodir bo'lishi mumkin.

Birinchi holda gaplashamiz haqida orbital mexanik momentning o'zgarishi qiymati bo'yicha elektron ħ , bu azimutning o'zgarishiga mos keladi kvant soni l birlik uchun. Bundan biz (5.12) tanlash qoidasini olamiz, bu shunday ifodalanadi burchak momentumining saqlanish qonuni.

Ikkinchi yo'l - elektron spinining orientatsiyasi hajmida ham ħ . Bu yo'l juda kam. Shuning uchun tanlov qoidasini buzadigan o'tishlar D l = ± Er usti yorug'lik manbalarida 1 amalda qo'llanilmaydi. Masalan, qo'zg'atilgan vodorod atomining 2 dan o'tishlari s- 1da s- holat faqat juda kam uchraydigan quyosh tojida yoki yulduzlar atmosferasida paydo bo'lishi mumkin. Bu erda hayajonlangan atomlar uzoq vaqt davomida to'qnashuvlarni boshdan kechirmaydi. Shuning uchun, hatto bunday ehtimolsiz o'tishlar ham ularda amalga oshiriladi.

2. Ishqoriy metallarning spektrlari boshqa elementlardan ko'ra ko'proq vodorod spektriga o'xshaydi. Ishqoriy metall atomlari inert gaz qobig'i va umumiy zaryadi + ga teng bo'lgan markaziy simmetrik yadrodir. e atrofida bitta elektron harakat qiladi.

Ishqoriy metallar jadvalning birinchi guruhining asosiy kichik guruhini tashkil qiladi Mendeleev. Barcha davrlar ular bilan boshlanadi. Barqaror elementlardan bu lityum Li, Z= 3 (yadro geliy qobig'i bo'lgan yadro, qo'zg'atmagan atomdagi yuqori elektron 2 ga teng. s- davlat), natriy Na, Z= 11 (yadro neon qobiqli yadro, 3 da elektron s- davlat), kaliy K , Z= 19(yadro argon qobig'i bo'lgan yadro, 4 da elektron s- davlat), rubidiy Rb, Z= 37 (yadro - bu kripton qobig'i bo'lgan yadro, 5 da elektron s- davlat), seziy Cs, Z= 55 (yadro - bu ksenon qobig'i bo'lgan yadro, 6 da elektron s- shart).

Ishqoriy metallarning spektrlarida bir nechta seriyalar mavjud. Ulardan eng muhimi 4 tasi: asosiy, keskin, tarqoq va asosiy. 1900 yilda Yoxannes Rydberg topildi umumiy shakl gidroksidi metallar uchun ketma-ket formula. . (7.6)

Bu yerda n £ m- energiya darajalari soni, a va b- turli metallar va turli seriyalar uchun turli xil ma'nolarga ega bo'lgan tuzatishlar.

Misol sifatida natriy spektrini ko'rib chiqing. 44-rasmda natriy atomidagi energiya darajalari va spektral qatorni tashkil etuvchi elektron o'tish sxemalari ko'rsatilgan.

a . Asosiy seriya . Chunki shunday nomlangan nafaqat emissiya spektrlarida, balki yutilish spektrlarida ham mavjud. Seriyaga mos keladi Lyman vodorod spektrida. Natriy uchun u formula bilan tavsiflanadi ( m= 3,4,5,…¥):

. (7.7)

Emissiya spektrida asosiy qator elektron o'tganda paydo bo'ladi p- asosiy 3 ga to'g'ri keladi s- holat. Ushbu seriyaning bosh chizig'i (ya'ni maksimal to'lqin uzunligi bo'lgan chiziq). l, raqamning minimal qiymatiga mos keladi m= 3) - xarakterli yorqin sariq D- bilan natriy liniyasi l=589 nm. Bu ko'rinadigan diapazondagi ushbu seriyaning yagona liniyasi. Elektron 3 dan o'tganda hosil bo'ladi p 3 da s- bir energiya qatlamidagi holat.

Ushbu seriyadagi keyingi qator 4-o'tishda chiqariladi p 3s. Uning to'lqin uzunligi l=330nm UV diapazonida. Asosiy seriyaning kesish to'lqin uzunligi (chiziq da m = ¥) =241nm.

Spin-orbitaning o'zaro ta'siri tufayli p- pastki daraja energiya jihatidan ikkiga bo'linadi. Shuning uchun asosiy qatorning spektral chiziqlari dubletlardir. Misol uchun, asosiy seriyali sariq natriy dubletining bosh chizig'i ikkita chiziqdan iborat l 1 = 589,6 nm va l 2 =589,0 nm.

Nafaqat p- pastki daraja, lekin boshqa yuqori d, f- pastki darajalar energiya jihatidan ikkiga bo'linadi. Shuning uchun ishqoriy metallarning spektrlarida multilet bo'linishi boshqa qatorlarda ham mavjud.

Ko'p elektronli atomlarning spektrlarini o'rganish doimiy ekanligini ko'rsatdi Rydberg R elementlar soni ortishi bilan birmuncha ortadi. Shunday qilib, vodorod uchun R H\u003d 1,09678 10 7 m -1, natriy uchun R Na\u003d 1.09735 10 7 m -1 va eng og'ir atomlar uchun R Z > 20 \u003d 1.09737 10 7 m -1. O'sish R asosan davriy jadvalning boshida va allaqachon xlor Cl bilan sodir bo'ladi ( Z= 17) o'sish R amalda ko'rinmas.

b . keskin (keskin) seriya dagina uchraydi radiatsiya spektri elektronning dan o'tishi paytida natriy s- da joylashgan p- holat (44-rasm). Natriyning keskin seriyali formulasi: , m=4, 5, 6,… (7.8)

Ikki komponentga bo'linish tufayli p– keskin ketma-ketlikning pastki sath chiziqlari ham dubllarni ifodalaydi. Bosh seriyali dublet ( m= 4) IR mintaqasida joylashgan, l 1 = 1140 nm va l 2 = 1138 nm (o'tish 4 s 3p). O'tish dublet 5 s 3p 616 va 615 nm ga tushadi ko'rinadigan diapazon. O'tish 6 s 3p 515 nm chiziqqa to'g'ri keladi (bo'linish D l 1 nm dan kam). O'tkir qatorning to'lqin uzunligini cheklash = 408 nm. Shuning uchun, etakchi chiziqdan tashqari, butun o'tkir seriya ko'rinadigan diapazonda.

Nomidan ko'rinib turibdiki, o'tkir seriyaning chiziqlari qarama-qarshidir. Bu ushbu seriyaning emissiyasi paytida elektronlar o'tishi bilan izohlanadi s- energiya bo'linishi bo'lmagan davlatlar. Elektronlar ikkita komponentni urganligi sababli p– pastki sath, keyin o'tkir seriyali dubletlarda chiqarilgan fotonlarning energiyasi bir xil farqga ega h D n butun seriya uchun. Chastotalar farqi D n dublet komponentlari o'rtasida doimiy bo'ladi. To'lqin uzunliklarida ifodalangan farq D l qatorning binafsha oxiri tomon harakatlanayotganda tez kamayadi.

ichida . tarqoq (tarqoq) seriya faqat emissiya spektrida mavjud va elektronning juft 3 ga o'tishi paytida paydo bo'ladi p- pastki daraja, shuningdek, ikki qavatli qoplamadan d- pastki darajalar (44-rasm). Tanlov qoidalari to'rtta o'tish variantidan faqat uchtasini amalga oshirishga imkon beradi. Shuning uchun, seriyadagi har bir qator uchlik. Komponentlar orasidagi energiya masofalari d- masofa 3 bilan solishtirganda ancha kamroq pastki darajalar mavjud p- pastki daraja. Shu sababli, ajralish kuchi etarli bo'lmagan spektral qurilmalarda tripletning tarkibiy qismlari hal etilmaydi va butun triplet bitta loyqa (diffuz) chiziq sifatida qabul qilinadi. Natriyning diffuz seriyali formulasi:

, m= 3, 4, 5,… (7.9)

Ushbu seriyaning bosh chizig'i ( m= 3) uzunlikka ega l= 818 nm va yaqin IQ diapazonida. U elektron o'tish paytida chiqariladi 3 d 3p bir xil energiya qatlami ichida. Raqam oshgani sayin m chiziqlar ko'rinadigan diapazonda chiqariladi, l(m= 4) = 586 nm, l(m= 5) = 498 nm. Cheklovchi to'lqin uzunligi, keskin seriyadagi kabi, l(m= ¥) = 408 nm. Etakchi chiziqlar bundan mustasno, ikkala seriya - o'tkir va tarqoq - ko'rinadigan diapazonda.

G . Asosiy (Asosiy), asosiy qator shunday nomlanadi, chunki uning formulasi formuladan minimal farqlarga ega Balmer. Natriy uchun

,m= 4,5,6,… (7.10)

Bu elektron harakat qilganda sodir bo'ladi f- 3-bandda ko'rsatilgan d- holat. Ushbu seriyaning barcha chiziqlari IR diapazonida. Bosh chiziq (4 f 3d) uzunlikka ega l= 1846 nm, keyingi (5 f 3d) l= 1268 nm, chegara chizig'i ( m= ¥) l= 813 nm. Natriy spektridagi asosiy seriyalar seriyaga juda o'xshash Pashen vodorod spektrida (1875 - 820 nm).

Tuzatish omillari a va b(7.6) qator formulalarida sathlarning energiyasi ortib borishi bilan kamayadi. Ha, 3-daraja s 1.371, 3-darajali tuzatish mavjud p– tuzatish 0.881, 3-daraja d- tuzatish 0,008. Bundan xulosa qilish mumkinki, atomdagi energiya darajasi qanchalik past bo'lsa gidroksidi metall, u inert gazning qobig'iga qanchalik yaqin bo'lsa, yadroning elektr maydoni qanchalik ko'p deformatsiyalanadi, u vodorod atomining Kulon maydonidan shunchalik farq qiladi. Shuning uchun asosiy seriyalar seriyalarga juda o'xshash Pashen darajalari vodorod atomining spektrida d va f ishqoriy metall atomining yadrosidan uzoqda joylashgan.

3. Spektral chiziqlarning tabiiy kengligi. Oddiy sharoitlarda fotonning emissiyasi qachon sodir bo'ladi o'z-o'zidan(o'z-o'zidan) atomning qo'zg'aluvchan, ya'ni energetik jihatdan yuqori holatdan energetik jihatdan pastroq holatga o'tishi. Vaqt t, Bunda ma'lum qo'zg'aluvchan holatda atomlar soni kamayadi e marta, deyiladi hayot paytida hayajonlangan holat. Ko `p holatlarda t»10 -8 10-9 s. Va faqat ichida metastabil holatlar (g'ayritabiiy uzoq umr) vaqt t ehtimol 10-1 s.

O'z-o'zidan o'tish ehtimoli hayajonlangan holatlarni qat'iy statsionar deb hisoblash mumkin emasligini ko'rsatadi. Qo'zg'atilgan holatning energiyasi aniq belgilanmagan. Noaniqlik munosabatidan Geyzenberg energiya va vaqt uchun (3.3) energiya noaniqligi D E hayajonlangan holatda atom vaqtga teskari proportsionaldir t : ħ, . (7.11)

Qo'zg'atilgan atom energiyasidagi noaniqlik u tomonidan chiqarilgan fotonlar energiyalarining tarqalishiga olib keladi. . (7.12)

D chastota oralig'idan o'tamiz n to'lqin uzunligi oralig'iga D l. Chunki

, keyin. (7.13)

Sarlavhali seriyalar uchun Balmer (l= 656,3 nm, t= 10 -8 s) bu kenglik D l= 2,3 10 -5 nm. Zamonaviy spektral qurilmalar buni o'lchash imkonini beradi tabiiy kenglik spektral chiziqlar.

Agar siz yorug'lik intensivligining bog'liqligini grafikaga chizsangiz I to'lqin uzunligidan l, keyin nosimmetrik qo'ng'iroq shaklidagi egri olinadi. 45-rasmda bunday egri chiziq to'lqin uzunligi bo'lgan kadmiy Cd ning qizil chizig'i uchun ko'rsatilgan. l= 643,8 nm. Turli xil spektrlarda bunday oddiy chiziqlar juda kam. Hatto nozik tuzilish sxemasida (spin-orbital o'zaro ta'sir) oddiy deb hisoblangan chiziqlar uchun ham ko'payish aniqligi oshishi bilan topiladi.

4. Spektrning gipernozik tuzilishi. Bunday qo'shimcha o'ta nozik tuzilish ikki sababga ko'ra yuzaga kelishi mumkin.

Birinchidan, chiqaradigan atomlarning aralash izotopik tarkibi tufayli. Masalan, tabiiy vodorod ikkita izotop aralashmasidan iborat - protia va deyteriy- 5000 nisbatda: 1. Deyteriyning spektral chiziqlari qisqaroq to'lqin uzunliklari mintaqasiga biroz siljigan. Oddiy aralashmada deyteriy chiziqlari ko'rinmaydi. Ammo gazdagi deyteriy konsentratsiyasi oshirilsa, unda har bir chiziq, masalan, ketma-ketlikda Balmer, ikkiga boʻlinadi. Bu izotopik ko'plikdir.

Ikkinchidan, mavjudligi tufayli atom yadrosi mexanik va magnit momentlar. Yadrolarning magnit momenti elektronlarning orbital magnit momentidan taxminan 1000 marta kichikdir. Ammo, shunga qaramay, elektronlarning spin-orbital momentlarining yadroning magnit momenti bilan o'zaro ta'siri yuqori aniqlikdagi spektral qurilmalar tomonidan qayd etilgan ko'plikka olib keladi. Misol uchun, to'lqin uzunligi bilan Hg simobning yashil chizig'i l= 546,0724 nm, asosiy chiziqqa qo'shimcha ravishda, u oltita chiziqli hiper nozik tuzilishga ega, -0,0236, -0,0102, -0,0069, l= 546,0724 nm, +0,0085, +0,0128, +0,0214 nm.

5. Spektral chiziqlarni dopller yordamida kengaytirish. Nurlantiruvchi atomlarning issiqlik harakati tufayli translatsiya harakati spektral chiziqlarning qo'shimcha kengayishiga olib keladi.

Effekt tufayli qabul qiluvchiga yaqinlashayotgan atom tomonidan chiqarilgan yorug'lik chastotasi Doppler biroz kattaroq va teng n 0+D n. Chetayotgan atomdan yorug'lik chastotasi biroz kamroq va teng n 0-D n. Bu yerda n 0 - harakatsiz atom tomonidan chiqariladigan yorug'lik chastotasi. Natijada, bir xil spektral chiziq tufayli oldinga harakat atomlar chastota diapazonigacha kengaytirilgan ( n 0+D n) – (n 0-D n) = 2D n.

Uzunlamasına effekt uchun optik formuladan Doppler(Optika, f. 28.10) shundan kelib chiqadi

, qayerda. (7.14)

Demak, . (7.15)

Nisbiy Doppler kengayishi. (7.16)

Xona haroratida vodorod atomlarining issiqlik harakati tezligi v= 2 10 3 m ç Bilan. Bu yerdan.

Doppler kengayishi allaqachon chastotaning 5-6 belgisida paydo bo'ladi n yoki to'lqin uzunligi l. Zamonaviy spektral qurilmalar o'lchash imkonini beradi n yoki l 7-8 belgigacha. Shuning uchun spektral chiziqlarning termal kengayishi yaxshi belgilangan va ko'pincha istalmagan ta'sirdir. Uni yo'q qilish uchun past haroratlarda amalga oshirilishi mumkin bo'lgan atomlarni qo'zg'atishning bunday usullarini qo'llash kerak. Masalan, luminesans(§10-ga qarang).

6. Molekulyar spektrlar. Atomlarning molekulaga birlashishi atomlardagi elektron harakat energiyasi bilan bir qatorda molekula ham shunday bo'lishiga olib keladi. murakkab tizim, energiyaga ega tebranish va aylanish harakatlari(46-rasm). Kattalik tartibida kvant energiya bosqichlari ko'pincha quyidagicha tartibga solinadi: D E elektron pochta > D E hisoblash > D E temp. Bu erda D E- atomdagi elektron energiya darajalarining bosqichlari.

Molekula tomonidan chiqarilgan spektrga eng muhim ta'sir ko'rsatadi tebranish harakati. Intramolekulyar energiya beri tebranish harakati kvantlangan bo'lsa, gazning har qanday hajmida D tebranish energiyasining qiymatlari bir xil bo'lgan molekulalar guruhlari mavjud. E 1-qavat, D E kol 2, D E kol 3 va boshqalar. Atomda bir xil elektron o'tish natijasida turli guruhlar molekulalar turli chastotali fotonlarga mos keladi n 1 , n 2 , n 3 ,… chunki foton emissiyasi paytida molekulaning tebranish energiyasi elektron o'tish energiyasiga qo'shilishi mumkin.

Agar atom holatidagi modda, masalan, vodorod H, chastotali chiziq chiqaradi n, keyin molekulyar holatda (H 2) modda tomonidan chiqarilgan bu chiziq molekulyar tebranishning energiya bosqichlari soniga qarab chiziqlar tizimiga bo'linadi.

Chiziqlarning bo'linishi, tebranishga qo'shimcha ravishda, ham sabab bo'ladi aylanish harakati molekulalar. Natijada, molekulalarning emissiya spektrlari bilan guruhlar mavjud katta raqam chiziqlar - chiziqlar va shuning uchun chiziqli deb ataladi (47-rasm).

9.1. Tizim bilan o'zaro aloqa operatori elektr zaryadlari elektromagnit maydon bilan

Klassik elektrodinamikada zaryadlarning elektromagnit maydon bilan o'zaro ta'sir qilish energiyasi tok zichligi va potentsialining to'rt vektorining skalyar mahsuloti sifatida ifodalanishi mumkin (9.1) va tanlangan Lorentz o'lchagichni hisobga olgan holda, skalyar mahsulot sifatida. oqim zichligi va vektor potensialining uch o'lchovli vektorlari. Klassik iboraga o'xshab, biz tanishtiramiz tashqi maydon bilan o'zaro aloqa operatori, ya'ni, yaratish va yo'q qilish operatorlari (9.2) bilan ifodalangan. O'zaro ta'sir operatori har bir nurlanish rejimi bilan o'zaro ta'sirga mos keladigan, bir-biridan mustaqil operatorlarning cheksiz yig'indisiga bo'linadi. Har bir rejim uchun fotonni yaratish va yo'q qilishga mos keladigan ikkita operator yig'indisi mavjud. O'zaro ta'sir qilmaydigan quyi tizimlar (9.3) holatlarining mahsulotlari nolga yaqinlik holatlari sifatida tanlanadi. Ushbu holatlar bo'yicha har bir rejimda fotonni yaratish va yo'q qilishning matritsa elementlari (9.4) ko'rinishga ega. Emissiya yoki yutilish bilan o'tish ehtimoli formulalarini olish uchun buzilish nazariyasining standart usulidan foydalanish kerak.

9.2. Perturbatsiya nazariyasi (birinchi tartib)

Maydon tomonidan zaryadlar o'rtasidagi o'zaro ta'sir mavjud bo'lgan tizimning holati nolga yaqinlikdagi (9.3) statsionar holatlar (9.5) nuqtai nazaridan kengaytirilishi mumkin. tizim |n> holatida bo'lgan va uning quyi tizimlari o'rtasida o'zaro ta'sir bo'lmagan (9.6). Kengayishni (9.5) statsionar Shredinger tenglamasiga almashtirish osonlik bilan tizimga olib keladi. differensial tenglamalar vaqtga bog'liq bo'lgan kengayish koeffitsientlari uchun (9.7), boshlang'ich shartlar (9.6) bilan hal qilish kuchsiz tebranishda qiyin emas, bu amplitudadan tashqari barcha vaqtga bog'liq koeffitsientlarning kichikligini keltirib chiqaradi. boshlang'ich holatda bo'lish (9.8). Ga ko'ra umumiy qoidalar kvant mexanikasi, o'tish ehtimoli holatga q modulning kvadrati bilan berilgan amplituda va vaqtga mutanosib bo'lib chiqadi (9.9), bu bizga vaqt birligiga o'tish ehtimolini kiritish imkonini beradi (9.10). Uzluksiz spektrli yakuniy holat bo'lsa, cheksiz kichik intervalgacha o'tish ehtimoli kiritiladi. dm (9.11).

9.3. Yorug'likning emissiyasi va yutilishi bilan o'tish ehtimoli

Yorug'lik emissiyasi bo'lgan atomlarning holatlari o'rtasida o'tish holatlarida yakuniy holat chiqariladigan fotonning cheksiz ko'p yo'nalishlari va chastotalariga mos keladigan uzluksiz spektrga tegishli (9.12). Olingan ifodani hisobga olgan holda, fotonning emissiyasi bilan tanlangan rejimga o'tish ehtimoli ushbu rejimda mavjud bo'lgan (9.13) 1 ga ko'paygan fotonlar soniga mutanosib bo'lib chiqadi. Shu tarzda paydo bo'lgan ikkita atama (mavjud fotonlar soniga mutanosib va ​​fotonlar soniga bog'liq emas) odatda ehtimollik sifatida talqin qilinadi. majbur va spontan emissiya(9.14) Yutish bilan o'tish ehtimoli (9.13) ga o'xshash shaklga ega, ammo o'z-o'zidan sodir bo'ladigan jarayonni tavsiflovchi atama mavjud emas (9.15).

Fotonlarning emissiya va yutilish ehtimoli bilan bog'liq iboralar ko'plab ilovalar uchun shunchalik muhimki, ularni eksperimental fizika uchun an'anaviyroq miqdorlarga bog'liqlik shaklida yozish maqsadga muvofiqdir. To'ldirish raqami (fotonlar soni) o'rniga kontseptsiyadan foydalanish qulayroqdir radiatsiya intensivligining spektral zichligi berilgan rejimda, ya'ni ma'lum polarizatsiyaning elektromagnit nurlanishining energiya oqimi, berilgan cheksiz kichik chastota oralig'iga tushadigan va cheksiz kichik qattiq burchak ichida tarqaladi (9.16). Ko'rinib turibdiki, kirish qiymati bitta foton energiyasining mahsulotiga va ularning soni va kosmosdagi harakat tezligiga mutanosib bo'lishi kerak. Fotonlar sonini hisoblashda ularning tanlangan fazoviy yo'nalishga mos keladigan rejimdagi kontsentratsiyasi holatlar sonining mos keladigan zichligiga ko'paytirilishi kerak. Oldin berilgan (7.12) ifodaning ifodasidan farqli o'laroq, u berilgan energiyaning barcha holatlarini hisobga olmaydi, faqat ma'lum bir qutblanish yorug'ligining ma'lum yo'nalishda tarqalishiga mos keladiganlarni hisobga oladi.

Fotonlar sonini nurlanish intensivligining spektral zichligi bilan almashtirish yorug'lik chiqarish va yutilish ehtimoli o'rtasidagi bog'liqlik uchun ilovalar uchun qulay ifodani olish imkonini beradi (9.17).

9.3. Eynshteyn koeffitsientlari

Izotropik nurlanish holatida yanada oqilona xususiyatdir spektral zichlik nurlanishning hajmli energiya zichligi(9.18), bu burchaklar bo'yicha integrallash va qutblanishlar ustidan yig'ish va, albatta, energiyaning kosmosda tarqalish tezligiga bo'linishi natijasida intensivlik spektral zichligidan olinadi. Radiatsiya ehtimoli (9.17) ifodalarining burchaklar ustidagi integrasiyasi radiatsiyaviy oʻtishlarning umumiy (yoʻnalishlar va qutblanishlar boʻyicha yigʻilgan) ehtimolliklari (9.19) oʻrtasidagi maʼlum bogʻlanishga olib keladi. Yuqoridagi ifoda, shuningdek, ularning statistik og'irliklarini kiritish orqali atom sathlarining degeneratsiyasi (ya'ni, bir xil energiyaga ega bo'lgan turli holatlarning mavjudligi) imkoniyatini hisobga oladi g i .

Induktsiyalangan radiatsiyaviy o'tishlarning ehtimolliklari nurlanish intensivligiga mutanosib bo'lganligi sababli, ularni fotonlar soniga bog'liq bo'lmagan koeffitsientlar (9.20) bo'yicha intensivliklarning mahsuloti sifatida yozish qulay bo'lib chiqadi. Shu tarzda kiritilgan miqdorlar deyiladi Eynshteyn koeffitsientlari. Munosabatlar (9.19) bu koeffitsientlar (9.21) o'rtasidagi aniq bog'liqlikni nazarda tutadi. Shunisi qiziqki, klassik (relativistik bo'lmagan) kvant mexanikasi o'z-o'zidan paydo bo'ladigan nurlanishning tabiatini izchil tushuntira olmasligini isbotladi. Ushbu nazariya doirasida nurlanish va materiya o'rtasidagi termodinamik muvozanatning mumkin bo'lishi talabi asosida o'z-o'zidan o'tish uchun Eynshteyn koeffitsientining ifodasi fenomenologik tarzda kiritilgan.

9.4. Muvozanatli nurlanish

O'z-o'zidan va stimulyatsiya qilingan emissiya ehtimoli o'rtasidagi o'rnatilgan bog'liqlik materiya yoki spektr bilan termodinamik muvozanat holatida nurlanishning spektral energiya zichligi chastotasini taqsimlash uchun taniqli ifodani olishni osonlashtiradi. qora tanli radiatsiya. Muvozanat sharoitida atomlarning vaqt birligida fotonlarni yutish va chiqarish aktlari soni bir-biriga teng bo'lishi kerak (9.22). Bu mulohaza atomlarning Boltsman energiyasini taqsimlash farazi bilan birgalikda, fotonlar sonini atomlar orasidagi energiya bo'shlig'iga mos keladigan rejimda topish imkonini beradi. atom darajalari(9.23) va nurlanishning hajmli energiya zichligining uning chastotasiga bog'liqligini hisoblang (9.24). olingan nisbat, deyiladi Plank taqsimoti, eksperimental ma'lumotlarga juda mos keladi. Ifodaning xarakteristikasiga kiritilgan Bose-Eynshteyn statistikasi uchun omilni ma'lum energiyaga ega bo'lgan holatda fotonni topish ehtimoli sifatida talqin qilish mumkin. Bose-Eynshteyn statistikasi butun spinli kvant mexanik ob'ektlar uchun amalga oshirilganligi sababli, olingan natija 7-ma'ruzada foton 1 ga teng spinga ega degan xulosaga to'liq mos keladi.