Как квантовая теория объясняет поглощение света веществом

Поглощением (абсорбцией) света называется явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество.

Свет поглощается в тех случаях, когда проходящая волна затрачивает энергию на различные процессы. Среди них: преобразование энергии волны во внутреннюю энергию – при нагревании вещества; затраты энергии на вторичное излучение в другом диапазоне частот (фотолюминесценция); затраты энергии на ионизацию – при фотохимических реакциях и т.п. При поглощении света колебания затухают и амплитуда электрической составляющей уменьшается по мере распространения волны. Для плоской волны, распространяющейся вдоль оси x, имеем

Здесь E(x) – амплитудное значение напряженности электрического поля волны в точках с координатой x; – амплитуда в точке с координатой x = 0; t – время, за которое волна распространилась на расстояние, равное x; β – коэффициент затухания колебаний; коэффициент поглощения, зависящий от химической природы среды и от длины волны проходящего света.

Интенсивность волны будет изменяться по закону Бугера (П. Бугер (1698 – 1758) – французский ученый):

где – интенсивность волны на входе в среду.

При , . Следовательно, коэффициент поглощения – физическая величина, численно равная обратному значению толщины слоя вещества, в котором интенсивность волны убывает в е = 2,72 раз.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны определяет спектр поглощения материала. В веществе (например в газе) может присутствовать несколько сортов частиц, участвующих в колебаниях под действием распространяющейся электромагнитной волны. Если эти частицы слабо взаимодействуют, то коэффициент поглощения мал для широкого спектра частот, и лишь в узких областях он резко возрастает (рис. 10.7, а).


а	б

Эти области соответствуют частотам собственных колебаний оптических электронов в атомах разных видов. Спектр поглощения таких веществ линейчатый и представляет собою темные полосы на радужной окраске спектра, если это видимая область. При увеличении давления газа полосы поглощения уширяются. В жидком состоянии они сливаются, и спектр поглощения принимает вид, показанный на рис. 10.7, б. Причиной уширения является усиление связи атомов (молекул) в среде.

Коэффициент поглощения, зависящий от длины волны λ (или частоты ω), для различных веществ различен. Например, одноатомные газы и пары металлов (т.е. вещества, в которых атомы расположены на значительных расстояниях друг от друга и их можно считать изолированными) обладают близким к нулю коэффициентом поглощения, и лишь для очень узких спектральных областей (примерно м) наблюдаются резкие максимумы (так называемый линейчатый спектр поглощения). Эти линии соответствуют частотам собственных колебаний электронов в атомах. Спектр поглощения молекул, определяемый колебаниями атомов в молекулах, характеризуется полосами поглощения (примерно м).

Коэффициент поглощения для диэлектриков невелик (примерно ), однако у них наблюдается селективное поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда α резко возрастает и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения (примерно м), т.е. диэлектрики имеют сплошной спектр поглощения. Это связано с тем, что в диэлектриках нет свободных электронов и поглощение света обусловлено явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах диэлектрика.

Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (примерно ), и поэтому металлы практически непрозрачны для света. В металлах из-за наличия свободных электронов, движущихся под действием электрического поля световой волны, возникают быстропеременные токи, сопровождающиеся выделением джоулевой теплоты. Поэтому энергия световой волны быстро уменьшается, превращаясь во внутреннюю энергию металла. Чем выше проводимость металла, тем сильнее в нем поглощение света.

На рис. 10.8 представлена типичная зависимость коэффициента поглощения α от частоты света ν и зависимость показателя преломления n от ν в области полосы поглощения. Из рисунка следует, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия (n убывает с увеличением ν). Однако поглощение вещества должно быть значительным, чтобы повлиять на ход показателя преломления.

Зависимостью коэффициента поглощения от частоты (длины волны) объясняется окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из-за сильного поглощения света этих длин волн стекло будет казаться черным. Это явление используется для изготовления светофильтров, которые в зависимости от химического состава (стекла с присадками различных солей; пленки из пластмасс, содержащие красители; растворы красителей и т. д.) пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные. Разнообразие пределов селективного (избирательного) поглощения у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблюдающееся в окружающем мире.

Читайте также: Тони ган свет минус

Спектральный анализ позволяет получить информацию о составе Солнца, поскольку определенный набор спектральных линий исключительно точно характеризует химический элемент. Так, с помощью наблюдений спектра Солнца был открыт гелий.

Видимая часть солнечного излучения при изучении с помощью спектроанализирующих приборов оказывается неоднородной – в спектре наблюдаются линии поглощения, впервые описанные в 1814 году И. Фраунгофером.

С помощью спектрального анализа узнали, что звезды состоят из тех же самых элементов, которые имеются и на Земле.

Явление поглощения широко используется в абсорбционном спектральном анализе смеси газов, основанном на измерениях спектров частот и интенсивностей линий (полос) поглощения. Структура спектров поглощения определяется составом и строением молекул, поэтому изучение спектров поглощения является одним из основных методов количественного и качественного исследования веществ.

Источник

Квантовые постулаты Бора. Излучение и поглощение света атомами.

Принимая ядерную модель атома, необходимо было признать значительные «отступления» от следствий классической электродинамики при ускоренном движении электронов в атоме.

Для преодоления противоречий между ядерной моделью атома Резерфорда и законами классической электродинамики Нильс Бор поставил перед собой цель связать в единое целое ядерную модель атома Резерфорда, закономерности линейчатых спектров и квантовый характер излучения и поглощения света. В 1913 г. он предложил квантовую модель атома, в основу которой положил следующие постулаты.

I постулат Бора (постулат стационарных состояний): электрон в атоме может находиться только в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. Когда электрон находится в стационарном состоянии, атом не излучает.

Стационарные состояния отличаются друг от друга различными орбитами, по которым движутся электроны в атоме. Набор электронных орбит, по сути, и определяет стационарные состояния электрона в атоме. Как следует из постулата, вопреки классической электродинамике электроны движутся по замкнутым орбитам и электромагнитные волны при этом не излучаются. Стационарные состояния можно пронумеровать, присвоив им порядковый номер n—1, 2, 3, . причем каждое состояние обладает своей фиксированной энергией Е.

Первый постулат Бора сохраняет основу ядерной модели атома, предложенной Резерфордом: электроны вращаются вокруг ядра по определенным (разрешенным) орбитам. Бор полагал, что эти орбиты представляют собой окружности, однако немецкий физик Арнольд Зоммерфельд показал, что орбиты могут также иметь форму эллипса, причем ядро располагается в одном из его фокусов (рис. 34).

Планеты Солнечной системы также движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Это обстоятельство делает аналогию между атомом Бора — Зоммерфельда и Солнечной системой еще более тесной.

II постулат Бора (правило частот):

электрон в атоме может «скачком» переходить из одного стационарного состояния (k-го) в другое (п-е). При этом переходе испускается или поглощается квант электромагнитного поля с частотой v_kn, определяемой разностью энергий электрона в атоме в данных состояниях:

Если E_k>E_n, то происходит излучение энергии, если E_k -8 с. Это так называемое время жизни атома в возбужденном состоянии.

Как следует из II постулата Бора, частота излучения атома не связана с частотой обращения электрона по орбите, а определяется энергиями E_k и Е_п атома в начальном и конечном состояниях. Переход электрона в атоме из одного стационарного состояния в другое сопровождается электромагнитным излучением с длиной волны

Правило частот Бора позволило объяснить линейчатую структуру атомных спектров: частоты излучения атома определяются значениями энергий атома в возбужденных состояниях.

Ill постулат Бора (правило квантования орбит): стационарные (разрешенные) электронные орбиты в атоме находятся из условия

где m — масса электрона, v — линейная скорость его движения, r_n— радиус n-й орбиты,

Читайте также: Откровенный дневник проводницы света лист
34 Дж*с, h — постоянная Планка. Число п (номер орбиты) называется главным квантовым числом.

Таким образом, Бор усовершенствовал ядерную (планетарную) модель атома Резерфорда и объяснил вид атомных спектров и квантовый характер излучения, обнаруженный Планком и Эйнштейном.

Это был следующий шаг в становлении новой, квантовой физики.

Теория Бора позволила объяснить существование линейчатых спектров.

Спектр излучения (или поглощения) — это набор волн определенных частот, которые излучает (или поглощает) атом данного вещества.

Спектры бывают сплошные, линейчатые и полосатые.

Сплошные спектры излучают все вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Сплошной спектр содержит волны всех частот видимого света и поэтому выглядит как цветная полоса с плавным переходом от одного цвета к другому в таком порядке: Красный, Оранжевый, Желтый, Зеленый, Синий и Фиолетовый (Каждый Охотник Желает Знать, где Сидит Фазан).

Линейчатые спектры излучают все вещества в атомарном состоянии. Атомы всех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определенных частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так и у атома данного вещества свой, характерный только ему спектр. Линейчатые спектры излучения выглядят как цветные линии, разделенные промежутками. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со своей характерной энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т. е. электрон в атоме может переходить только с одних определенных орбит на другие, вполне определенные орбиты для данного химического вещества.

Полосатые спектры излучаются молекулами. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются отдельные серии линий, воспринимаемые как отдельные полосы.

Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и поглощается, т. е. спектры излучения по набору излучаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные толькоим спектры, то существует способ определения химического состава вещества методом изучения его спектров. Этот способ называется спектральным анализом. Спектральный анализ применяется для определения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определения химического состава звезд, атмосфер, планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.

Билет 15

Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Плазма.

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводниками могут быть только ионизированные газы, в которых содержатся электроны, положительные и отрицательные ионы.

Для того чтобы отделить электрон от атома, необходимо совершить работу, определяемую свойствами атома, т. е. израсходовать энергию ионизации W, обычно выражаемую в электрон-вольтах. Разность потенциалов, которую должен пройти электрон для приобретения энергии ионизации, называется потенциалом ионизации атома или молекулы.

Ионизация, возникающая под действием высоких температур называется термоионизацией различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного) и космических лучей— фотоионизацией вследствие столкновения частиц между собой — ударной ионизацией.

Образовавшиеся вследствие ионизации электроны и ионы делают газ проводником электричества. Поскольку при ионизации молекулы газа образуется пара противоположно заряженных частиц: электрон и положительный ион, то свободные заряды в газе в основном имеют элементарный заряд е. (Для образования свободных зарядов 2е, Зе и т. д. необходима большая энергия, поэтому они встречаются гораздо реже.) Подчеркнем, что, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, свободные электроны могут присоединяться к ним, образуя и отрицательные ионы.

После прекращения действия ионизатора количество ионов в газе с течением времени уменьшается, так как электроны и ионы при тепловом движении соударяются друг с другом и превращаются в нейтральные атомы и молекулы. Процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц называется рекомбинацией. При рекомбинации выделяется энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Это может вызвать, например, свечение газа.

Явление прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Различают несамостоятельные и самостоятельные газовые разряды.

Читайте также: Во тьме ночной при свете дня вертел
Газовые разряды, происходящие под действием внешнего ионизатора, называются несамостоятельными. В результате действия ионизатора в пространстве между пластинами конденсатора ежесекундно образуется определенное число пар разноименных свободных зарядов (положительных ионов и электронов). Заметим, что одновременно с ионизацией начинается процесс рекомбинации. Его скорость пропорциональна числу ионизированных частиц, поэтому со временем число вновь образованных заряженных частиц становится равным числу рекомбинировавших. Таким образом, устанавливается динамическое равновесие, при котором процессы ионизации и рекомбинации «уравновешивают» друг друга. Среднее число заряженных частиц в пространстве между пластинами с течением времени не изменяется.

Если между обкладками конденсатора создать постоянное электрическое поле, то все заряженные частицы, наряду с тепловым движением, под действием сил поля будут участвовать в направленном движении. Положительные ионы будут двигаться к катоду, а электроны — к аноду. Цепь замкнется, и амперметр покажет наличие в ней электрического тока.

При увеличении напряжения скорости движения частиц возрастают. Все большее число частиц будут достигать электродов, не успев рекомбинировать. Сила тока возрастает. Наконец, при определенном напряжении все частицы, образованные под действием ионизатора, будут достигать катода и анода. Процесс рекомбинации прекратится. С этого момента сила тока больше не изменяется: дальнейшее увеличение напряжения приводит лишь к увеличению скорости направленного движения частиц, но не их концентрации. Таким образом, достигается ток насыщения.

Резкое возрастание силы тока при дальнейшем увеличении напряжения указывает на то, что в пространстве между пластинами появляется дополнительное число свободных носителей заряда. Они возникают вследствие столкновения электронов с молекулами воздуха. Когда напряженность электрического поля в воздухе между обкладками конденсатора достигает десятков тысяч вольт на сантиметр, кинетическая энергия электронов становится достаточной для ударной ионизации, при которой электрон, сталкиваясь с нейтральным атомом, выбивает из него один или несколько «новых» электронов. Нейтральный атом превращается в положительный ион, и в газе появляются дополнительные носители заряда, которые увеличивают силу тока.

Поскольку ионы намного массивнее электронов, то под действием приложенного электрического поля они не достигают скоростей, достаточных для ударной ионизации молекул. Однако при бомбардировке поверхности катода ионами с нее выбиваются электроны, которые получили название вторичных электронов. Соответственно, явление выбивания электронов ионами с поверхности катода называется вторичной электронной эмиссией.

Если для образования свободных электронов используется нагревание катода, то говорят о явлении термоэлектронной эмиссии.

При ударной ионизации число образовавшихся электронов и ионов с течением времени возрастает в геометрической прогрессии, образуя так называемые электронную и ионную лавины. С возникновением лавин характер газового разряда меняется с несамостоятельного на самостоятельный поскольку свободные заряды в газе образуются самопроизвольно, без действия внешнего ионизатора. Если теперь убрать ионизатор, то газовый разряд при этом не исчезнет.

Газовый разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным разрядом.

Процесс перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный называется электрическим пробоем, а соответствующее ему напряжение U — напряжением пробоя.

Характер самостоятельного разряда определяется свойствами и состоянием газа, величиной и распределением приложенного напряжения, формой и расположением электродов.

Экспериментальное задание: «Определение коэффициента трения дерева по дереву».

Оборудование:деревянный брусок (80 — 100 г), деревянная доска, динамометр.

Порядок выполнения задания.

1. С помощью динамометра определить вес Р деревянного бруска.

2. Положить брусок на горизонтально расположенную деревянную доску иравномерно перемещать его по доске с помощью пружины динамометра. Определить
силу трения скольжения F_тр бруска по доске, равную F_ynp пружины.

3. Определить коэффициент трения дерева по дереву, учитывая, что F_давл = Р, по
формуле:

Билет 16

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Источник