Материал: kompendium_po_fizike

196

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

). 

197

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

1

E

, 

2

E

, 

3

E

, 

…, 

n

E

, 

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

: 

1

2

E

E

h







, 

где

h

 – 

постоянная

Планка

, 



 – 

частоты

кванта

излучения

. 

3.

В

стационарных

состояниях

момент

импульса

электрона

принимает

значения

кратные

величине

)

2

/(



h





: 

)

2

/(



nh

n

mVr







, 

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

198

сложного

атома

зависит

от

четырех

целых

чисел

, 

определяющих

состояние

электрона

в

атоме

: 

 
1.

Главного

квантового

числа

n

, 

определяющего

энергию

электрона

,...

2

,

1



n

2.

Орбитального

квантового

числа

l

, 

определяющего

момент

импульса

электрона



)

1

(





l

l

p

и

форму

его

орбиты

. 

1

,...,

2

,

1

,

0





n

l

. 

3.

Магнитного

квантового

числа

m

, 

определяющего

проекцию

момента

импульса

электрона

на

некоторое

направление

 OZ 

внешнего

поля

  (

т

.

е

. 

ориентацию

орбиты

электрона

) 



m

p

z



. 

l

l

m







,...,

0

,...,

. 

4.

Спинового

квантового

числа

s

m

, 

определяющего

проекцию

спина

электрона

на

некоторое

направление

. 

2

/

1





s

m

. 

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

1



n

, 

0



l

 – 

один

уровень

1s

, 

2



n

, 

1

,

0



l

 – 

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

1







l

, 

0





S

 (

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

 (

эл

E

) 

присутствуют

энергия

колебаний

электронов

около

положения

равновесия

  (

кол

E

) 

и

энергия

вращения

молекулы

как

целого

199

вокруг

центра

масс

  (

вр

E

), 

которые

также

квантованы

. 

Тогда

полная

энергия

молекулы

будет

равна

сумме

всех

энергий

вр

кол

эл

E

E

E

E







. 

При

этом

вр

кол

эл

E

E

E





и

вр

кол

эл

E

E

E











. 

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

  (

,...

2

,

1



V

), 

а

между

ними

ещё

и

вращательные

,...

2

,

1



j

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=I

0

·e

-kl

, 

где

I

0

 – 

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=I

0

·10e

-



C

l

, 

причем



и



связаны

соотношением



= 



·lge=0.4343



. 

Отношение





0

I

I

называют

коэффициентом

пропускания

, 

а

величину



1

lg

lg

0





I

I

D

−

оптической

плотностью

. 

В

соответствии

с

приведенной

выше

формулой

оптическая

плотность

раствора

D=



C

l

. 

200

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

.