Eksterni energetski nivoi: strukturne karakteristike i njihova uloga u interakcijama između atoma. Energetski nivoi atoma

Što je elektronska ljuska atoma bliža atomskom jezgru, to jezgro jače privlači elektrone i veća je njihova energija vezanja s jezgrom. Stoga je zgodno okarakterizirati raspored elektronskih ljuski po energetskim nivoima i podnivoima i raspodjelu elektrona po njima. Broj nivoa elektronske energije jednak je broju perioda, u kojoj se ovaj element nalazi. Zbir broja elektrona na energetskim nivoima jednak je atomskom broju elementa.

Elektronska struktura atoma prikazana je na sl. 1.9 u obliku dijagrama distribucije elektrona po energetskim nivoima i podnivoima. Dijagram se sastoji od elektronskih ćelija prikazanih kao kvadrati. Svaka ćelija simbolizira jednu elektronsku orbitalu, sposobnu da prihvati dva elektrona suprotnih okreta, označenih strelicama gore i dolje.

Rice. 1.9.

Elektronski dijagram atoma se gradi u nizu povećanje broja nivoa energije. U istom pravcu energija elektrona se povećava I smanjuje se energija njegove veze sa jezgrom. Radi jasnoće, možete zamisliti da je jezgro atoma na „dnu“ dijagrama. Broj elektrona u atomu elementa jednak je broju protona u jezgru, tj. atomski broj elementa u periodnom sistemu.

Prvi energetski nivo sastoji se od samo jedne orbitale, koja je označena simbolom s. Ova orbitala je ispunjena elektronima iz vodika i helijuma. Vodonik ima jedan elektron, a vodonik je jednovalentan. Helijum ima dva uparena elektrona sa suprotnim spinovima, helijum ima nultu valenciju i ne formira spojeve sa drugim elementima. Energija hemijska reakcija nije dovoljno da pobuđuje atom helijuma i prenese elektron na drugi nivo.

Drugi energetski nivo sastoji se od "-podnivoa i /. (-podnivoa, koji ima tri orbitale (ćelije). Litijum šalje treći elektron na 2"-podnivo. Jedan nespareni elektron određuje monovalentnost litijuma. Berilijum ispunjava isti podnivo sa drugim elektronom, dakle u nepobuđenom stanju, berilij ima dva uparena elektrona, međutim, mala energija pobuđivanja je dovoljna da se jedan elektron prenese na ^-podnivo, što berilij čini dvovalentnim.

Na sličan način dolazi do daljeg popunjavanja 2p-podnivoa. Kiseonik u jedinjenjima je dvovalentan. Kiseonik ne pokazuje veće valence zbog nemogućnosti uparivanja elektrona drugog nivoa i njihovog prenošenja na treći energetski nivo.

Za razliku od kiseonika, sumpor, koji se nalazi ispod kiseonika u istoj podgrupi, može da pokaže valencije od 2, 4 i 6 u svojim jedinjenjima zbog mogućnosti uparivanja elektrona trećeg nivoa i njihovog pomeranja na ^-podnivo. Imajte na umu da su moguća i druga valentna stanja sumpora.

Elementi čiji je s-podnivo popunjen nazivaju se "-elementi". Niz se formira na sličan način p- elementi. Elementi s- a p-podnivoi su uključeni u glavne podgrupe. Elementi bočnih podgrupa su ^-elementi (pogrešno nazvani prijelaznim elementima).

Podgrupe je prikladno označiti simbolima elektrona, zahvaljujući kojima su formirani elementi uključeni u podgrupu, npr. s"-podgrupa (vodonik, litijum, natrijum, itd.) ili //-podgrupa (kiseonik, sumpor, itd.).

Ako se periodna tablica konstruira tako da se brojevi perioda povećavaju odozdo prema gore, a u svaku elektronsku ćeliju se smjeste prvo jedan, a zatim dva elektrona, dobićete dugoperiodnu tablicu, koja po obliku podsjeća na dijagram distribucije. elektrona na energetskim nivoima i podnivoima.

Elektronski nivoi energije

IN moderan koncept o orbitalnom modelu atoma, elektroni u atomu su sposobni da posjeduju samo određene količine energije i prelaze s jednog energetskog nivoa na drugi samo skokovima. Razlika između energetskih nivoa određuje frekvenciju kvanta svjetlosti koji se oslobađa ili apsorbira tokom tranzicije. Svaki par vrijednosti glavnog kvantnog broja n i orbitalnog kvantnog broja l odgovara određenom energetskom nivou koji elektron može posjedovati.

Nivoi molekularne energije

Intranuklearni energetski nivoi

Termin je nastao iz proučavanja radioaktivnosti. Zračenje je podijeljeno na tri dijela: alfa zrake, beta zrake i gama zrake. Istraživanja su pokazala da se alfa zračenje sastoji od jezgara helijuma-4 (vidi alfa čestica), beta zračenje je tok elektrona koji se brzo kreću, a gama zraci su elektromagnetni. Budući da energija prijelaza između različitih elektronskih nivoa nije dovoljna za nastanak gama zraka, postalo je jasno da se njihov izvor mora tražiti unutar atomskog jezgra, odnosno samo atomsko jezgro može imati različite energetske nivoe, pri prijelazima između kojih emituju se gama zraci. Gama zraci su proširili spektar poznatih elektromagnetnih talasa, a svi talasi kraći od 10−3 nm nazivaju se gama zraci.

Vidi također

Wikimedia Foundation.

2010.

Pogledajte šta je "energetski nivo" u drugim rječnicima: ENERGETSKI NIVO, fiksna količina energije koju posjeduje atomsko jezgro, ELEKTRON, atom ili molekul. Na primjer, unutar atoma energija elektrona se ne mijenja kontinuirano. Izražava se u diskretnom nizu značenja, koja su ... ...

Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik nivo energije

Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik- - [A.S. Goldberg. Englesko-ruski energetski rječnik. 2006] Teme o energetici općenito EN energetski nivoi države ... - je strogo definirana energija koja karakterizira dati elektron u atomu, što odgovara njegovoj udaljenosti od jezgra. Što je elektron bliži jezgru, to ima manje energije. Opća hemija: udžbenik / A. V. Zholnin ...

Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik Hemijski pojmovi - energijes lygmuo statusas T sritis chemija apibrėžtis Energijos vertė, kurią gali turėti kvantinė sistem stacionariojoje būsenoje. atitikmenys: engl. energetski nivo rus. nivo energije; nivo energije...

Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik- energijes lygmuo statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. nivo energije vok. Energieniveau, n rus. nivo energije, m; nivo energije, m pranc. niveau d'énergie, m; niveau énergétique, m … Fizikos terminų žodynas - energijes lygmuo statusas T sritis Standardizacija i metrologija apibrėžtis Energijos vertė, kurią gali turėti kvantinė nuostoviosios būsenos sistema. atitikmenys: engl. nivo energije vok. Energieniveau, n rus. nivo energije, m pranc.… …

Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas Pogledajte nivoe energije...

Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik - Velika sovjetska enciklopedija Moguće značenje ukupna energija konzervativnog kvantnog sistema.. Inače: vremenski neovisan Hamiltonov... Politehnički terminološki rječnik

energetski nivo mehanizacije (automatizacije) živog rada- energetski nivo mehanizacije (automatizacije) rada ΩT Odnos korisnih energetskih inputa nežive prirode tokom deblokiranog mašinskog vremena na zbir korisnih energetskih utrošaka nežive prirode i ljudi tokom vremena na komad.… … Vodič za tehnički prevodilac

energetski nivo mehanizacije (automatizacije) tehnološke opreme- energetski nivo mehanizacije (automatizacije) STO ΩP Odnos korisnih utrošaka energije nežive prirode tokom punog mašinskog vremena prema zbiru korisnih utrošaka energije nežive prirode i ljudi u jedinici vremena. [GOST 23004... ... Vodič za tehnički prevodilac

Takođe se povećava sa n®¥, E®0.

Nivoi ukupnih energetskih vrijednosti atoma vodika prikazani su na slici 77.

Kako se kvantni broj povećava, udaljenost (radijus orbite duž koje se elektron kreće) raste, a ukupni i potencijalna energija teži nuli. Kinetička energija takođe teži nuli i oblast E > 0 odgovara stanju slobodnog elektrona.

Pored glavnog kvantnog broja n = 1, 2, 3, stanje atoma karakteriše orbitala l = 0, 1, 2, n-1, koja određuje oblik orbite, magnetna m 1 = - 1, -1, 0, +1, +1 (orijentacijske orbite u prostoru), magnetni spin m s = -1/2; +1/2 (sopstvena rotacija elektrona u atomu).

To jest, za isti glavni kvantni broj postoji mnogo stanja elektrona (energetska stanja), čija distribucija zadovoljava dva principa:

1. U atomu su stanja svih elektrona različita, odnosno ne mogu postojati elektroni koji imaju istu kombinaciju kvantnih brojeva (princip isključenja ) - osnovao je 1925. švicarski fizičar W. Pauli].

2. Raspodjela elektrona u atomu mora odgovarati minimalnoj energiji atoma ( princip minimalne energije ).

Ukupan broj elektrona u atomu određen je nabojem njegovog jezgra, izraženim u terminima elementarnog naboja. U atomu minimalne energije (nepobuđeni), elektroni ispunjavaju slojeve najbliže jezgru, koji imaju n ljuski (od 0 do n-1) sa određenim brojem elektrona u svakoj od njih.

Izgradnja ove teorije postala je moguća zahvaljujući pažljivim proučavanjima emisionih spektra različitih plinova (emisionih spektra atoma), zbog čega su otkrivene spektralne linije, smještene prema određenom obrascu. U atomu vodika, na primjer, ovaj obrazac je određen Balmer-Rydbergovom formulom

, (170)

Gdje c -1 - Rydbergova konstanta, n i n 0 - kvantni brojevi koji odgovaraju početnom (prije zračenja) i konačnom (nakon zračenja) energetska stanja atom.

Kada se elektron kreće s jedne stacionarne orbite na drugu (najbližu jezgru), atom emituje kvantum energije jednak razlici u energijama atoma prije i poslije zračenja .

U spektru se mogu razlikovati grupe linija koje se nazivaju spektralni nizovi. Svaka serija odgovara prelazima pobuđenog atoma na isti energetski nivo (slika 78)

Lyman serija se nalazi u ultraljubičastom dijelu spektra. Nastaje kao rezultat prijelaza elektrona sa gornjih energetskih nivoa na prizemni (n=1). Iz formule (45) slijedi

, n= 2,3,4……(171)

Intenzitet se povećava kako se talasna dužina smanjuje.

Balmerova serija je u vidljivom i bliskom ultraljubičastom području spektra. Otkrio ju je 1885. švicarski fizičar Balmer i zapravo je početak izgradnje kvantne teorije atoma. Iz (22) za ovu seriju slijedi

, n= 3,4,5…..(172)

Paschen serija je u infracrvenom području spektra. Nastaje kada se elektroni pomaknu na treći energetski nivo. Iz (22) slijedi

, n= 4,5,6…..(173)

Postoje i druge serije, ali spektar je ograničen, jer se energetski nivoi atoma približavaju kako se glavni kvantni broj povećava, a vjerovatnoća prijelaza između njih je mala, tako da se praktično ne primjećuju.

Glavni parametri spektralnih linija prikazani su u tabeli 2.

Tabela 2 - Glavni parametri spektralnih linija

Spektralna analiza koristi i emisione (emisione) spektre – spektralnu analizu i apsorpcione spektre – apsorpcionu analizu. Izgled spektri variraju i određuju ih izvor zračenja. Postoje tri glavna tipa spektra - prugasti, linijski i prugasti (vidi Poglavlje 1, dio III).

U kontinuiranom spektru Postoje sve talasne dužine (boje) koje se neprekidno menjaju od dugotalasnog dela spektra do kratkotalasnog dela. Nastaju kao rezultat kombinacije mnogih interakcija između molekula i atoma tokom njihovog haotičnog kretanja.

Linijski spektri sastoji se od niza linija, od kojih svaka odgovara određenoj frekvenciji zračenja. Karakteristični su za pobuđene atome koji ne stupaju u interakciju jedni s drugima.

Prugasti spektri nastaju od molekula. Zračenje je uzrokovano i elektronskim prijelazima u atomima i vibracijskim kretanjima samih atoma u molekulima. Ovi spektri se sastoje od veliki broj linije koje se nalaze u odvojenim grupama. Složenost molekularnih spektra je posljedica složenijeg unutarmolekulskog kretanja.

Kvantna teorija strukture atoma prilično uvjerljivo objašnjava fizičke pojave kao što su luminiscencija, fotoelektrični efekat i svjetlosni pritisak, kao i sve uočene obrasce toplinskog zračenja.

Danas ćemo govoriti o tome koji je energetski nivo atoma, kada se čovjek susreće s ovim konceptom i gdje se primjenjuje.

Školska fizika

Ljudi se prvi put susreću sa prirodnim naukama u školi. A ako su u sedmoj godini studija djeci još uvijek zanimljiva nova znanja iz biologije i hemije, onda ih se u srednjoj školi počinju bojati. Kada dođe red na atomsku fiziku, lekcije iz ove discipline već izazivaju samo gađenje prema neshvatljivim zadacima. Međutim, vrijedno je zapamtiti da sva otkrića koja su se sada pretvorila u dosadne školske predmete imaju netrivijalnu povijest i cijeli arsenal korisne aplikacije. Saznati kako svijet funkcionira je poput otvaranja kutije s nečim zanimljivim unutra: uvijek želite pronaći tajni pretinac i tamo otkriti još jedno blago. Danas ćemo govoriti o jednoj od osnovnih fizika, strukturi materije.

Nedjeljivo, kompozitno, kvantno

Iz starogrčkog jezika riječ “atom” prevodi se kao “nedjeljiv, najmanji”. Ova ideja je posledica istorije nauke. Neki stari Grci i Indijanci vjerovali su da je sve na svijetu sastavljeno od sićušnih čestica.

IN moderna istorija proizvedeni su mnogo ranije fizičko istraživanje. Učenjaci iz sedamnaestog i osamnaestog vijeka radili su prvenstveno na povećanju vojne moći zemlje, kralja ili vojvode. A da bi se stvorili eksplozivi i barut, bilo je potrebno razumjeti od čega se sastoje. Kao rezultat toga, istraživači su otkrili da se neki elementi ne mogu odvojiti dalje od određenog nivoa. To znači da postoje najmanji nosioci hemijskih svojstava.

Ali pogriješili su. Pokazalo se da je atom kompozitna čestica, a njegova sposobnost promjene je kvantne prirode. O tome svjedoče i prijelazi u energetskim nivoima atoma.

Pozitivne i negativne

Krajem devetnaestog veka naučnici su se približili proučavanju najmanjih čestica materije. Na primjer, bilo je jasno: atom sadrži i pozitivno i negativno nabijene komponente. Ali to je bilo nepoznato: lokacija, interakcija i omjer težine njegovih elemenata ostali su misterija.

Rutherford je proveo eksperiment o raspršivanju tankih alfa čestica. Otkrio je da se u središtu atoma nalaze teški pozitivni elementi, a vrlo lagani negativni elementi. To znači da su nosioci različitih naboja čestice koje nisu slične jedna drugoj. To je objasnilo naboj atoma: element im se može dodati ili ukloniti. Ravnoteža koja je održavala neutralnost čitavog sistema bila je poremećena, a atom je dobio naelektrisanje.

Elektroni, protoni, neutroni

Kasnije se pokazalo da su lake negativne čestice elektroni, a teško pozitivno jezgro se sastoji od dvije vrste nukleona (protona i neutrona). Protoni su se razlikovali od neutrona samo po tome što su prvi bili pozitivno nabijeni i teški, dok su drugi imali samo masu. Promena sastava i naboja jezgra je teška: za to su potrebne neverovatne energije. Ali atom se mnogo lakše dijeli elektronom. Postoji više elektronegativnih atoma koji su spremniji da "oduzmu" elektron, a manje elektronegativnih atoma koji će ga vjerovatnije "odreći". Ovako se formira naboj atoma: ako postoji višak elektrona, onda je negativan, a ako postoji nedostatak, onda je pozitivan.

Dug život univerzuma

Ali ova atomska struktura zbunila je naučnike. Prema preovlađujućoj klasičnoj fizici tog vremena, elektron, koji se neprestano kretao oko jezgra, trebao je neprekidno emitovati elektromagnetne valove. Budući da ovaj proces znači gubitak energije, sve negativne čestice bi ubrzo izgubile brzinu i pale na jezgro. Međutim, svemir postoji jako dugo, a svjetska katastrofa se još nije dogodila. Spremao se paradoks da je materija prestara.

Borovi postulati

Borovi su postulati mogli objasniti neslaganje. Tada su to bile samo izjave, skokovi u nepoznato, koji nisu bili potkrijepljeni proračunima ili teorijom. Prema postulatima, postojali su energetski nivoi elektrona u atomu. Svaka negativno nabijena čestica mogla bi biti samo na ovim nivoima. Prijelaz između orbitala (kako se zovu nivoi) vrši se skokom, u kojem se oslobađa ili apsorbira kvant elektromagnetne energije.

Planckovo otkriće kvanta kasnije je objasnilo ovo ponašanje elektrona.

Svetlost i atom

Količina energije potrebna za prijelaz ovisi o udaljenosti između energetskih nivoa atoma. Što su udaljeniji jedan od drugog, veći je emitovani ili apsorbovani kvant.

Kao što znate, svjetlost je kvant elektromagnetnog polja. Dakle, kada se elektron u atomu kreće od višeg do višeg nizak nivo, on stvara svetlost. U ovom slučaju vrijedi i suprotan zakon: kada elektromagnetski val padne na objekt, on pobuđuje njegove elektrone i oni se kreću na višu orbitalu.

Osim toga, energetski nivoi atoma su individualni za svaki tip hemijski element. Obrazac udaljenosti između orbitala razlikuje se za vodonik i zlato, volfram i bakar, brom i sumpor. Stoga analiza emisionih spektra bilo kojeg objekta (uključujući zvijezde) nedvosmisleno određuje koje su tvari prisutne u njemu iu kojoj količini.

Ova metoda se koristi nevjerovatno široko. Spektralna analiza se koristi:

• u kriminologiji;
• u kontroli kvaliteta hrane i vode;
• u proizvodnji robe;
• u stvaranju novih materijala;
• u poboljšanju tehnologije;
• u naučnim eksperimentima;
• u proučavanju zvezda.

Ova lista samo otprilike pokazuje koliko se pokazalo korisnim otkriće elektronskih nivoa u atomu. Elektronski nivoi su najgrublji, najveći. Postoje finiji vibracioni i još finiji nivoi rotacije. Ali oni su relevantni samo za složene spojeve - molekule i čvrste tvari.

Mora se reći da struktura jezgra još nije u potpunosti proučena. Na primjer, ne postoji odgovor na pitanje zašto određeni broj protona odgovara upravo tom broju neutrona. Naučnici sugerišu da atomsko jezgro takođe sadrži neke analoge elektronskih nivoa. Međutim, to još nije dokazano.

34. Energetski nivoi u atomima i molekulima. Emisija i apsorpcija energije tokom prelaza između energetskih nivoa. Spektar atoma vodika.

ENERGETSKI NIVOI MOLEKULA

Budući da se molekule sastoje od atoma, unutarmolekulsko kretanje je složenije od intraatomskog kretanja. U molekulu, osim kretanja elektrona u odnosu na jezgra, postoji i vibracijsko kretanje atoma oko njihovog ravnotežnog položaja (oscilacija jezgara zajedno sa elektronima koji ih okružuju) i rotacijsko kretanje molekula kao cjeline. Elektronsko, vibraciono i rotaciono kretanje molekula odgovara tri tipa nivoa energije: jegulja, ekol i eur. Prema kvantnoj mehanici, energija svih vrsta kretanja u molekuli uzima samo diskretne vrijednosti (kvantizirane). Zamislimo otprilike puna energija E molekula je zbir kvantiziranih energija različitih tipova: E = Eel + Ecol + Eur.

Udaljenost između nivoa elektronske energije je reda nekoliko elektron volti, između susednih nivoa vibracija 10~2-10"" eV, između susednih nivoa rotacije 10-5 _ 10-3 eV.

OSOBINE ZRAČENJA I APSORPCIJE ENERGIJE ATOMIMA I MOLEKULAMA

Atom i molekul mogu biti u stacionarnim energetskim stanjima. U tim stanjima oni niti emituju niti apsorbuju energiju. Energetska stanja su šematski predstavljena kao nivoi. Najniži nivo energije - osnovni - odgovara osnovnom stanju.

Tokom kvantnih prelaza, atomi i molekuli skaču iz jednog stacionarnog stanja u drugo, sa jednog energetskog nivoa na drugi. Promjena stanja atoma povezana je s energetskim prijelazima elektrona. U molekulima se energija može mijenjati ne samo kao rezultat elektronskih prijelaza, već i zbog promjena u atomskim vibracijama i prijelaza između rotacijskih nivoa. Prilikom prelaska sa viših energetskih nivoa na niže, atom ili molekul odaju energiju, a tokom obrnutih prelaza apsorbuju. Atom u svom osnovnom stanju može apsorbirati samo energiju. Postoje dvije vrste kvantnih prijelaza:

1) bez zračenja ili apsorpcije elektromagnetne energije od strane atoma ili molekula. Ova neradijativna tranzicija nastaje kada atom ili molekul interagiraju s drugim česticama, na primjer

tokom sudara. Pravi se razlika između neelastičnog sudara, u kojem se mijenja unutrašnje stanje atoma i dolazi do neradijativne tranzicije, i elastičnog - s promjenom kinetičke energije atoma ili molekule, ali uz očuvanje unutrašnjeg stanja ;

2) sa emisijom ili apsorpcijom fotona. Energija fotona jednaka je razlici između energija početnog i konačnog stacionarnog stanja atoma ili molekule:

Formula (29.1) izražava zakon održanja energije

U zavisnosti od razloga koji uzrokuje kvantnu tranziciju sa emisijom fotona, razlikuju se dva tipa zračenja. Ako je ovaj uzrok unutrašnja i pobuđena čestica koja se spontano kreće na niži energetski nivo, onda se takvo zračenje naziva spontano (slika 29.1, a). Ona je nasumična i haotična u vremenu, frekvenciji (mogu postojati prijelazi između različitih podnivoa), smjeru širenja i polarizaciji. Konvencionalni izvori svjetlosti emituju uglavnom spontano zračenje. Ostalo zračenje je prisilno, ili indukovano (slika 29.1, b). Javlja se kada foton stupi u interakciju s pobuđenom česticom ako je energija fotona jednaka razlici u energetskim nivoima. Kao rezultat prisilnog kvantnog prijelaza, dva identična fotona će se širiti iz čestice u jednom smjeru: jedan je primarni, prisilni, a drugi je sekundarni, emitiran. Energija koju emituju atomi ili molekuli formira emisioni spektar, a apsorbovana energija formira apsorpcijski spektar.

Intenzitet spektralnih linija određen je brojem identičnih prelaza koji se dešavaju u sekundi, te stoga zavisi od broja emitujućih (apsorbujućih) atoma i verovatnoće odgovarajućeg prelaza.

Kvantne tranzicije se ne dešavaju između bilo kojeg nivoa energije. Uspostavljena su pravila selekcije, odnosno zabrane, koja formulišu uslove pod kojima su tranzicije moguće, a nemoguće ili malo verovatne.

Energetski nivoi većine atoma i molekula su prilično složeni. Struktura nivoa, a samim tim i spektra, ne zavisi samo od strukture jednog atoma ili molekula, već i od spoljašnjih faktora.

Elektromagnetska interakcija elektrona dovodi do suptilnog cijepanja1 nivoa energije ( fine strukture). Utjecaj magnetnih momenata jezgara uzrokuje hiperfino cijepanje (hiperfina struktura). Električna i magnetna polja van atoma ili molekula takođe uzrokuju cepanje energetskih nivoa (Stark i Zeeman fenomen; videti § 30.2).

Spektri su izvor različitih informacija.

Prije svega, atomi i molekuli se mogu identificirati po vrsti spektra, što je dio zadatka kvalitativne spektralne analize. Intenzitet spektralnih linija određuje broj emitujućih (apsorbujućih) atoma – kvantitativna spektralna analiza. U ovom slučaju relativno je lako pronaći nečistoće u koncentracijama od 10~5-10~6% i odrediti sastav uzoraka vrlo male mase - do nekoliko desetina mikrograma.

Iz spektra se može suditi o strukturi atoma ili molekula, strukturi njihovih energetskih nivoa, pokretljivosti pojedinih delova velikih molekula itd. Poznavajući ovisnost spektra o poljima koja djeluju na atom ili molekulu, dobiva se informacija o relativnom položaju čestica, budući da se utjecaj susjednih atoma (molekula) vrši preko elektromagnetnog polja.

Proučavanje spektra pokretnih tijela omogućava da se na osnovu optičkog Doplerovog efekta odrede relativne brzine emitera i prijemnika zračenja.

Ako uzmemo u obzir da je iz spektra supstance moguće izvući zaključke o njenom stanju, temperaturi, pritisku itd., onda možemo visoko cijeniti korištenje zračenja i apsorpciju energije atomima i molekulama kao istraživačku metodu.

Ovisno o energiji (frekvenciji) fotona koji emituje ili apsorbira atom (ili molekul), dijele se sljedeće vrste spektroskopije: radio, infracrveno, vidljivo zračenje, ultraljubičasto i rendgensko zračenje.

Na osnovu vrste supstance (izvor spektra) razlikuju se atomski, molekularni i kristalni spektri.

Apsorpcija svjetlosti (Bouguerov zakon)

PS rendgenskih i gama zraka kvantitativno je opisan Bouguerovim zakonom:

gdje je I0 intenzitet upadnog zračenja;

I je intenzitet zračenja nakon prolaska kroz sloj supstance debljine x. Ova formula se razlikuje od Bouguerovog zakona za svjetlost samo po označavanju koeficijenta μ u slučaju jonizujućeg zračenja naziva se koeficijent slabljenja. Koeficijent ovisi, prije svega, o vrsti stvari: što je element teži, to je veći koeficijent slabljenja. Drugo, μ veoma zavisi od vrste i energije zračenja.

U medicinskoj praksi, snagu jonizujućeg zračenja obično ne karakteriše intenzitet I, već takozvana brzina doze P. Ali P i I su međusobno proporcionalni, dakle:

R=R0*exp (-μx)

Zajedno sa koeficijentom Prigušenje često koristi drugu konstantu koja se zove sloj polu-atenuacije. Ovo je debljina stvari koja smanjuje brzinu doze za pola. Obično se označava d0.5. μ=0,693/d0,5 i Bouguerov zakon se može zapisati u sljedećem obliku: P=P0*exp (0,693x/d0,5).

Znajući vrijednost sloja poluprigušenja u standardnom materijalu, možete uporediti krutost različitih zračenja. Što je veći d0,5, fenomen je rigidniji. Radijacija. Ovo je praktično zgodno, jer... Sloj poluprigušenja može se lako odrediti bilo kojim dozimetrijskim uređajem ako postoji skup ploča različitih debljina.

U nekim slučajevima, zgodno je karakterizirati apsorbirajući sloj tvari ne njegovom debljinom, već masom po jedinici površine (m/S). Neka postoji ploča površine S i debljine x. Zapremina takve ploče će biti jednaka S*x i masi m=S*x*ρ, gdje je ρ gustina apsorbirajućeg materijala. Otuda x=m/Sρ i x=(μ/ρ)*(m/S) i dalje: P=P0*exp(-((μ/ρ)*(m/S))).

Vrijednost μ/ρ=μmass naziva se koeficijent prigušenja mase. Pogodniji je za korištenje od linearnog koeficijenta μ, p.h. vrijednosti koeficijenata masenog slabljenja u različitim stvarima se mnogo manje razlikuju jedna od druge.

Ako zračenje prolazi uzastopno kroz nekoliko različitih stvari, onda je kada se koristi koeficijent prigušenja mase moguće ih sve kombinirati u jedan sloj prosječne gustoće, što uvelike pojednostavljuje proračun.

RASPIRANJE SVJETLA

Rasipanje svjetlosti je pojava u kojoj se svjetlosni snop koji se širi u mediju odbija u svim mogućim smjerovima.

Neophodan uslov za nastanak rasejanja svetlosti je prisustvo optičkih nehomogenosti, tj. regije s indeksom prelamanja različitim od glavnog medija. Rasipanje i difrakcija svetlosti imaju neke zajedničke karakteristike, obe pojave zavise od odnosa prepreke ili nehomogenosti i talasne dužine. Razlika između ovih pojava je u tome što je difrakcija uzrokovana interferencijom sekundarnih valova, a raspršenje je uzrokovano dodavanjem (a ne interferencijom!) zračenja koje nastaje prisilnim oscilacijama elektrona u nehomogenostima pod utjecajem svjetlosti.

Postoje dvije glavne vrste takve heterogenosti:

1) male strane čestice u homogenoj providnoj materiji. Takvi mediji su mutni: dim (čvrste čestice u gasu), magla (tečne kapljice u gasu), suspenzije, emulzije itd. Rasipanje u mutnim medijima naziva se Tyndallov fenomen.

2) optičke nehomogenosti koje nastaju u čistoj supstanci usled statističkog odstupanja molekula od ujednačene raspodele (fluktuacije gustine).

Rasipanje svjetlosti od nehomogenosti ovog tipa naziva se molekularno; na primjer, rasipanje svjetlosti u atmosferi.

Ii =I0-ml, gdje je m indeks raspršenja (prirodni).

Uz kombinovano djelovanje apsorpcije i raspršenja svjetlosti, slabljenje intenziteta je također eksponencijalna funkcija Ii =I0-µl, gdje je µ indeks slabljenja (prirodni). Kao što je lako vidjeti, µ= m + k.

Rayleigh je otkrio da je pri rasejanju u zamućenoj sredini na nehomogenostima približno manjim od 0,2 A, kao i tokom molekularnog rasejanja, intenzitet raspršene svetlosti obrnuto proporcionalan četvrtom stepenu talasne dužine (Rayleighov zakon): I~1/גּ4 .

OPTIČKI ATOMSKI SPEKTRI

Atomski spektri su i emisioni i apsorpcioni spektri koji nastaju tokom kvantnih prelaza između nivoa slobodnih ili slabo interakcijskih atoma.

Pod optičkim atomskim spektrima podrazumijevamo one koji su uzrokovani prijelazima između nivoa vanjskih elektrona s energijama fotona reda nekoliko

elektron-volt. Ovo uključuje ultraljubičastu, vidljivu i blisku infracrvenu (do mikrometara) područja spektra.

Najveći interes su optički spektri atomske emisije, koji se dobijaju od pobuđenih atoma. Njihovo pobuđivanje obično se postiže kao rezultat neradijativnih kvantnih prijelaza tijekom električnog pražnjenja u plinu ili zagrijavanja tvari plamenom plinskih plamenika, električnim lukom ili iskrom.

Atom vodika i joni slični vodoniku.

Formula za frekvenciju svjetlosti koju emituje (apsorbira) atom vodika (Z = 1):

Ovu formulu je eksperimentalno pronašao I.Ya. Balmer mnogo prije stvaranja kvantne mehanike i teorijski dobiven od Bohra

U spektru se mogu razlikovati grupe linija koje se nazivaju spektralne serije. Svaka serija, primijenjena na emisione spektre, odgovara prijelazima s različitih nivoa na isti konačni nivo.

Lyman serija se nalazi u ultraljubičastom području. koji nastaje prilikom prelaska sa gornjeg energetskog nivoa na najniži U vidljivom i bliskom ultraljubičastom području spektra postoji Balmerov niz, koji nastaje kao rezultat prelaza sa gornjeg energetskog nivoa na drugi.

Paszek serija se nalazi u infracrvenom području, koje se javlja tokom prijelaza sa gornjeg energetskog nivoa na treći

Može se činiti da spektar atomskog vodonika nije ograničen na niskim frekvencijama, budući da nivoi energije postaju proizvoljno bliski kako n raste. Međutim, u stvari, vjerovatnoća prijelaza između takvih nivoa je toliko mala da se ovi prijelazi praktično ne primjećuju.

Za atomsku spektralnu analizu koriste se i emisioni i apsorpcijski spektri (apsorpciona atomska spektralna analiza). U medicinske svrhe, emisiona analiza služi uglavnom za određivanje elemenata u tragovima u tjelesnim tkivima, malih količina atoma metala u konzerviranoj hrani za higijenske svrhe, nekih elemenata u kadaveričnom tkivu za forenzičke svrhe itd.