товые формы энергии излучения, имеющие более низкие частоты, чем излучение, обусловленное переходами электронов между атомными орбитами.
Вообще говоря, справедливо следующее положение (которое, возможно, сформулировано здесь не вполне строго): перевора чивающиеся асимметричные молекулы порождают микрорадио волны; колеблющиеся ядра — инфракрасное излучение; электро ны, движущиеся между внешними орбитами,— видимый свет; электроны, движущиеся на внутренних орбитах,— рентгеновское излучение и расщепляющиеся ядра — гамма-излучение.
Вследствие того что возможны чрезвычайно разнообразные условия существования молекулярных структур, энергия излуче ния в окружающей среде представлена более или менее непре рывным спектром, хотя этот спектр состоит из отдельных со ставляющих. Разрывность спектра описывают через частоты фотонов и числа событий появления фотонов.
9.3. ВОЗБУЖДЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
Все вещества генерируют электромагнитную энергию при температурах выше абсолютного нуля. Эта энергия выделяется
врезультате квантовых движений атомных частиц, участвующих
втепловой активности различных типов. При низких температу
рах переход из одного квантового энергетического состояния в другое характеризуется небольшими приращениями энергии, поэтому соответствующее электромагнитное излучение имеет низкую частоту. При высоких температурах тепловая активность значительно усиливается, в нее чаще вовлекаются более высокие энергетические уровни, и генерируемая энергия содержит больше высокочастотных составляющих.
Можно вычертить график, показывающий зависимость энергии от частоты. Тогда полная энергия системы будет выражаться площадью под этим графиком в пределах от нулевой до бес конечно большой частоты, т. е. интегралом, значение которого определяется законом Стефана—Больцмана.
При повышении температуры интенсивность излучения уве личивается на всех частотах, причем частота, соответствующая максимуму кривой распределения энергии излучения Стефана— Больцмана, смещается в сторону более высоких частот. Это смещение, описываемое законом Вина, объясняет, почему вещества при температуре 700° С называются «нагретыми до красна». При этой температуре максимум кривой распределения энергии по длине волны излучения лежит вблизи длины волны 700 нм. Излучение с такой длиной волны воспринимается глазом человека как красное.
Когда температура возрастает до 1500° С, становятся значи мыми составляющие излучения с более короткой волной —
около 400 нм, и вещество при этой температуре называют «нагретым добела». Совокупность всех составляющих излучения с длинами волн в пределах от 400 до 700 нм приблизительно соответствует спектру видимого излучения. Если в нем присут ствуют составляющие всех частот — от красной до фиолетовой, то излучаемая энергия для человека выглядит как белая. Ве щества, генерирующие энергию в диапазоне частот видимого света при повышении температуры, называют инкандесцентными (светящимися от нагрева).
Излучения с определенными частотами можно возбуждать путем воздействия на вещество фотонными, электронными или ионными пучками. Поскольку пучки в отличие от теплового излучения обычно имеют ограниченный энергетический состав, они возбуждают лишь отдельные части общего электромагнит ного спектра. Вследствие этого люминесцентная энергия имеет меньше частотных составляющих, чем инкандесцентная.
Тормозным излучением называют рентгеновское излучение, которое возникает при замедлении пучка электронов или других быстрых частиц в поглощающей среде.
Энергетическая щель — это интервал между энергиями час тицы, находящейся в одном и в другом из двух возможных кван товых состояний. Если воздействующая на вещество энергия пучка превышает энергию щели, то может произойти переход между соответствующими состояниями, причем генерируется электромагнитное излучение. В противном случае, когда энергия пучка меньше, чем энергия щели, электромагнитная энергия не генерируется. Это приводит к закону Стокса, который утверж дает, что длина волны излучения, возбуждаемого под влиянием пучка, может быть равна или больше длины волны поглощаемой
электромагнитной энергии. |
с |
Электромагнитное излучение, генерируемое веществом |
|
более низкими частотами, чем частота возбуждения, или |
же |
под влиянием не электромагнитного, а какого-либо иного воз буждения, называется фосфоресценцией, если оно продолжается в течение значительного времени после прекращения возбуж дающего воздействия, и флюоресценцией, если оно по окончании возбуждения не продолжается. Эти явления могут происхо дить на любой частоте — как на частотах видимого, так и на частотах невидимого излучения. Например, при взаимодейст вии некоторых веществ с рентгеновским излучением относи тельно высокой частоты происходит флюоресценция, причем испускается рентгеновское излучение более низкой частоты; некоторые материалы при возбуждении ультрафиолетовым излу чением начинают испускать видимый свет.
Возможности генерации электромагнитного излучения в ре зультате взаимодействия вещества и энергии весьма разнообраз ны; они нередко реализуются в довольно экзотических формах.
Эффект Гаддена—Пола заключается в возникновении мгно венной вспышки света в момент приложения электрического поля к некоторым люминофорам или, наоборот, в момент пре кращения действия электрического поля на люминофор. Эффект Черенкова состоит в том, что вода люминесцирует, испуская «таинственные» голубоватые лучи, если возбуждать ее гаммаизлучением (например, от атомного реактора) или же элект ронным пучком.
Некоторые вещества также могут люминесцировать под влия нием механических деформаций, электрических напряжений или определенных химических процессов. Триболюминесценция обус ловлена механическими деформациями, электролюминесценция — электрическими напряжениями, хемилюминесценция — химиче скими реакциями, биолюминесценция — биологическими процес сами и гальванолюминесценция — процессами, происходящими в электрических выпрямителях определенных типов. В некоторых растворах при формировании кристаллов наблюдается кристаллолюминесценция.
9.4. ПОВЕРХНОСТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Прозрачные вещества характеризуются тем, что в них не происходит каких-либо существенных энергетических взаимо действий между соседними молекулами в частотном диапазоне прозрачности. Любая энергия, подаваемая на вещество с часто той прозрачности, проходит через него, не претерпевая скольконибудь значительных изменений.
Энергия излучения, испускаемая с поверхности тела, которое состоит из прозрачного вещества, должна генерироваться не которым источником в глубине этого тела. Хотя угол поляриза ции такого излучения может измениться при его прохождении через прозрачное вещество, в других отношениях излучение опре деляется только источником и не зависит от вещества.
В то же время для непрозрачных веществ существуют та кие частоты обмена молекулярной энергией, при которых фотон, испускаемый одной молекулой, сразу же поглощается сосед ней молекулой. При частоте непрозрачности фотон никогда не перемещается в веществе на большое расстояние. Передача энергии в таких веществах осуществляется только путем поднятия энергетического уровня одной молекулы выше энергетических уровней соседних с ней молекул. Тогда между этой высоко энергетической молекулой и соседними молекулами происходит взаимный обмен энергией, который продолжается до тех пор, пока все они не достигнут одного и того же энергетического уровня.
Если данная конкретная молекула непрозрачного вещества окружена со всех сторон средой с одинаковыми свойствами,
то обмен энергией происходит в виде процесса, равномерно рас пределенного по всем направлениям. Однако для молекул, рас положенных у поверхности вещества, условия обмена энергией по разным направлениям не одинаковы. Фотон, испускаемый
поверхностной |
молекулой наружу |
по отношению |
к веществу, |
не поглощается |
и не излучается |
обратно соседней |
молекулой, |
а распространяется во внешнем пространстве как квант электро магнитного излучения.
Прохождение энергии излучения через прозрачную среду не оказывает влияния на эту среду. В отличие от этого потеря фотона поверхностной молекулой в. результате излучения умень шает энергию среды, а приход фотона на поверхность, конечно, повышает ее энергетический уровень.
Вся энергия, излучаемая с поверхности непрозрачного ве щества, генерируется в результате активности очень небольшого числа молекул и электронов, расположенных в непосредственной близости от поверхности. Эта активность поверхностных моле кул, в свою очередь, определяется количеством энергии, которую они получают в результате обмена с внутренними молекулами. Чем выше частота излучения и чем больше степень непро зрачности вещества, тем тоньше слой поверхностных молекул, участвующих в генерации излучаемой энергии.
Полупрозрачные вещества по своим характеристикам за нимают промежуточное положение между прозрачными и не прозрачными. Энергия излучения полупрозрачных веществ также генерируется вследствие активности поверхностных молекул, однако в отличие от непрозрачных веществ, здесь поверхност ный слой имеет значительную толщину, которая и определяет степень полупрозрачности.
В случае тонких пленок, когда толщина слоя полупрозрачности больше, чем толщина самой пленки, энергия излучения, выделяемая ее поверхностью, зависит от толщины пленки. Это ‘явление в принципе можно использовать для измерения тол щины пленки.
9.5. ЧАСТОТНОЕ СМЕЩЕНИЕ
Люминесцентные вещества испускают энергию, когда возбуж денные частицы переходят с одного разрешенного для них энер гетического уровня на другой и обратно. Каждый переход час тицы с более высокого на более низкий дискретный энергетиче- ^ский уровень порождает один фотон с определенной дискретной ■частотой.
В условиях теплового возбуждения ориентации магнетонов в
.каждый момент времени распределены случайным образом, при чем со временем каждый магнетон непрерывно изменяет свою ориентацию. Такая случайная структура совокупности магнето нов характеризуется минимальной энергией.
Если воздействовать на эти хаотически движущиеся магне тоны внешним магнитным полем, то некоторые из них окажутся упорядоченными по направлениям осей на достаточно длитель ное время, чтобы произошло взаимодействие между их торо идальными полями. Возможны два варианта такого взаимодейст вия: один характеризуется несколько большей энергией, чем случайная структура, другой — несколько меньшей энергией. Эти условия иллюстрируются на рис. 8.3 и 8.4 (наряду с дублетами, обусловленными ядерным магнитным резонансом).
Эффект Зеемана, как и ядерный магнитный резонанс, осно ван на том, что упорядочение ориентаций магнетонов под влия нием внешнего магнитного поля вызывает расщепление излу чения с одной частотой, обусловленной случайной активностью частиц, на две составляющие с частотами, значения которых расположены симметрично по обе стороны от исходной, или, центральной частоты, соответствующей случайной активности. Отклонения этих двух частот от исходной частоты пропорцио нальны напряженности приложенного магнитного поля.
Эффект Пашена—Бака заключается в том, что под действием сильного магнитного поля энергетические уровни смещаются в большей степени, чем при эффекте Зеемана.
Эффект Штарка состоит в аналогичном расщеплении спект ральных линий вследствие упорядочения ориентаций электриче ских диполей на молекулярном уровне под влиянием внешнего электрического поля.
Эффект Дюфора — это аномальный эффект Зеемана, на блюдаемый в направлении приложенного магнитного поля, ког да волны с круговой поляризацией при помощи пластинок в четверть волны преобразованы в плоскополяризованные волны.
Фактически здесь имеют место два эффекта Зеемана: один может наблюдаться в направлении приложенного поля, а дру гой — в перпендикулярных ему направлениях. Поскольку в боль шинстве случаев с помощью лабораторных приборов довольно трудно осуществлять наблюдение в направлении поля, чаще всего именно проявления этого эффекта в перпендикулярном на правлении называют «эффектом Зеемана».
При наблюдении вдоль направления поля излучение, порож даемое случайной активностью, не является поляризованным; однако две составляющие со смещенными частотами поляри зованы, причем одна поляризована в продольном направлении, другая — в поперечном.
Иная причина смещения частоты возникает в случае, если изменяется расстояние между источником излучения и местом наблюдения. Согласно принципу Допплера — Физо спектральная линия смещается по частоте на интервал, пропорциональный скорости относительного движения источника излучения и точки его наблюдения.