Материал: Компендиум
естественного света, падая под определённым углом на данный кристалл, расщепляется на два луча: обыкновенный (его плоскость поляризации перпендикулярна плоскости падения) и необыкновенный (его плоскость поляризации лежит в плоскости падения), движущиеся с разными скоростями. Ось кристалла, вдоль которой не наблюдается двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. Из данных кристаллов изготавливаются т.н. поляризационные призмы, которые позволяют выделять только один из лучей (например, призма Николя).
В. Явление дихроизма поглощения. Это явление состоит в том, что некоторые вещества обладают разными показателями поглощения для обыкновенного и необыкновенного лучей (например, турмалин, герапатит). Следовательно, при прохождении обыкновенного и необыкновенного лучей через этот кристалл обыкновенный луч будет испытывать сильное поглощение, и при некоторой толщине кристалла обыкновенный луч практически полностью будет поглощаться, выходящий свет при этом будет почти полностью поляризованным. Такие кристаллы наносят н целлулоидную или стеклянную подложку, и получают поляризаторы, называемые поляроидами.
Проекция вектора напряженности электрического поля в э/м волне на плоскость наблюдения (плоскость, перпендикулярную лучу) может описывать разные кривые. В зависимости от типа кривых выделяют разные виды поляризации:
а) эллиптическая поляризация (правая и левая); б) круговая (циркулярная) (правая и левая); в) линейная (плоская).
196
ПОГЛОЩЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ СВЕТА. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
1. Структура энергетических уровней атомов и молекул
До работ Н. Бора наука не могла объяснить происхождение линейчатых спектров атомов и молекул, так как, согласно классической электродинамике, спектр любого атома или молекулы должен быть непрерывным. Бор, используя представление о квантовой природе света (Планк), и представление о планетарной модели атома (Резерфорд), смог объяснить наличие линейчатого спектра атома водорода. Для этого он постулировал следующие положения:
1. Атомная система может находиться только в определённых энергетических состояниях с энергией E1 , E2 , E3,
…, En , в которых она не поглощает и не излучает энергию; эти
состояния называются стационарными.
2. Переход из одного состояние в другое возможен только при поглощении или излучении кванта энергии, равному
разности энергий двух состояний: |
h |
|
E2 E1 |
|
, |
где h – |
||
|
|
|||||||
постоянная Планка, – частоты кванта излучения. |
|
|||||||
3. В стационарных состояниях момент импульса электрона |
||||||||
принимает |
значения |
кратные |
величине |
h /(2 ) : |
||||
mVr n nh /(2 ) , где m , |
V , r , n – |
масса, скорость, радиус и |
||||||
номер орбиты электрона. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Теория Бора позволила объяснить наличие линейчатого спектра у атома водорода и водородоподобных атомов (т.е. с одним электроном на орбите), как следствие дискретной структуры их энергетических уровней. На основе теории Бора была развита впоследствии квантовая механика, которая смогла описать структуру энергетических уровней сложных (т.е. содержащих более одного электрона на орбите) атомов. Согласно квантовой механике, структура энергетических уровней
197
сложного атома зависит от четырех целых чисел, определяющих состояние электрона в атоме:
1.Главного квантового числа n, определяющего энергию электрона n 1,2,...
2.Орбитального квантового числа l , определяющего момент
импульса электрона p |
l(l 1) и форму его орбиты. |
l0,1,2,..., n 1.
3.Магнитного квантового числа m , определяющего проекцию момента импульса электрона на некоторое направление OZ внешнего поля (т.е. ориентацию орбиты электрона) pz m . m l,...,0,..., l .
4.Спинового квантового числа ms , определяющего проекцию спина электрона на некоторое направление. ms 1/ 2 .
При отсутствии внешних электрических и магнитных полей энергетическое состояние электрона определяется числами n и l .
Из-за этого структура энергетических уровней сложного атома,
значительно сложнее, |
чем у водородоподобного. Так, при n 1, |
l 0 – один уровень |
1s, n 2, l 0,1 – уже два уровня (вместо |
одного у водородоподобного атома) 2s и 2p т.д., причем без учета магнитного и спинового квантовых чисел. В сложных атомах оптические спектры определяются возможными переходами внешних валентных электронов, при которых выполняются условия l 1, S 0 (так называемые правила отбора).
Кроме того, в электрических и магнитных полях происходит расщепление энергетических уровней на дополнительные подуровни (эффект Штарка, эффект Зеебека и др.), кроме того энергетические уровни могут расщепляться из-за взаимодействия электронов между собой и с ядром (тонкая и сверхтонкая структуры).
Значительно сложнее энергетическая структура молекул. В
молекулах кроме энергии движения электронов вокруг ядер ( Eэл )
присутствуют энергия колебаний электронов около положения равновесия ( Eкол) и энергия вращения молекулы как целого
198
вокруг центра масс ( Eвр ), которые также квантованы. Тогда
полная энергия молекулы |
будет |
равна сумме |
всех |
энергийE Eэл Eкол Eвр . При |
этом |
Eэл Eкол Eвр |
и |
Eэл Eкол Eвр . Энергия электронного движения зависит
от чисел n и l , колебательного и вращательного – от квантовых чисел V и j соответственно. У каждого электронного состояния
появляются колебательные (V 1,2,...), а между ними ещё и вращательные j 1,2,... подуровни.
2. Поглощение света. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Колориметрия
Свет, проходя через жидкость, ослабляется в результате двух процессов: поглощения и рассеяния частичками среды. Рассеянный свет возникает не только в результате вторичного излучения возбуждёнными атомами или молекулами, но и при прохождении света через оптически неоднородную среду. Особенно интенсивное поглощение света наблюдается в окрашенных средах, по интенсивности их окраски можно судить о концентрации красящего вещества.
Закон изменения интенсивности света I от глубины его проникновения l в данную среду известен под названием закона Бугера-Ламберта: I=I0·e-kl, где I0 – интенсивность света, входящего в вещество, е– основание натурального логарифма, k – коэффициент поглощения. Бер установил, что для слабых растворов k прямо пропорционален концентрации C, т.е. k= ·C.
Часто экспоненциальную зависимость представляют в виде
I=I0·10e- Cl, |
причем |
|
и |
|
связаны соотношением |
= |
|||||
·lge=0.4343 . |
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
||
Отношение |
|
|
называют коэффициентом пропускания, а |
||||||||
|
I0 |
||||||||||
|
D lg |
|
I |
|
1 |
|
|
|
|||
величину |
|
|
lg |
|
− |
оптической плотностью. |
В |
||||
|
I0 |
|
|||||||||
соответствии |
с |
приведенной |
выше формулой оптическая |
||||||||
плотность раствора D= Cl.
199
Зависимость поглощения или рассеяния света от концентрации раствора может быть использована для экспериментального определения её значения. Приборы, предназначенные для этих целей, называют колориметрами и нефелометрами.
3. Эмиссионный и абсорбционный спектральный анализ, его медицинское применение
Эмиссионный спектральный анализ (анализ спектра испускания) и абсорбционный спектральный анализ (анализ спектра поглощения) широко используются в лабораторной практике.
Выделяют следующие виды спектров: По спектральному диапазону:
–радио-,
–ИК-,
–видимого излучения-,
–УФ-,
–рентгеновская спектроскопия. По типу источника излучения:
–атомная-,
–молекулярная спектроскопия,
–спектроскопия кристаллов.
Атомный спектральный анализ используется для определения количественного и качественного элементного состава вещества. По интенсивности спектральных линий определяют концентрации поглощающих или излучающих частиц, определяют концентрации примесей в веществе вплоть 10-5 – 10-6%. По характеру расщепления спектральных линий можно судить о воздействии на атом внешних электрических и магнитных полей, о взаимодействии электронов между собой и с ядром. По эффекту Доплера можно определять скорости движения атомов. Кроме того, можно определять условия, при которых находятся атомы: температуру, давление, фазу и т.д. Используется атомный спектральный анализ в лабораторной практике, в судмедэкспертизе, в фармацевтике и санитарии.
200