Материал: kompendium_po_fizike
201
При
спектральном
анализе
спектров
молекул
используются
следующие
спектры
:
Электронные
спектры
поглощения
биомолекул
(
УФ
область
).
Используются
для
:
идентификации
вещества
,
исследования
динамики
протекания
биохимических
реакций
и
определения
концентрации
веществ
,
определения
характера
взаимодействия
с
другими
молекулами
.
Электронные
спектры
испускания
(
эмиссии
)
называются
спектрами
люминесценции
.
Колебательно
-
вращательные
спектры
поглощения
биомолекул
(
ИК
область
).
С
их
помощью
получают
информацию
об
энергиях
валентных
связей
молекул
,
энергиях
межмолекулярных
взаимодействий
,
об
изменениях
структуры
молекул
.
Вращательные
спектры
биомолекул
(
радиодиапазон
).
Используются
для
вычисления
валентных
углов
,
дипольных
моментов
,
для
определения
структур
молекул
.
202
ТЕПЛОВОЕ
ИЗЛУЧЕНИЕ
ТЕЛ
.
ТЕПЛОВИДЕНИЕ
И
ТЕРМОГРАФИЯ
В
МЕДИЦИНЕ
.
ЭЛЕМЕНТЫ
КВАНТОВОЙ
МЕХАНИКИ
1.
Тепловое
излучение
тел
и
его
характеристики
Под
тепловым
излучением
понимают
электромагнитное
излучение
,
испускаемое
телом
,
температура
которого
выше
абсолютного
нуля
.
Тепловое
излучение
возникает
из
-
за
того
,
что
часть
внутренней
энергии
тела
переходит
в
излучение
.
Пока
температура
тела
выше
0
К
оно
будет
излучать
э
/
м
волны
.
Тепловое
излучение
тела
характеризуется
следующими
величинами
:
1)
поток
излучения
–
количество
энергии
E
излучаемой
телом
за
время
t
:
t
E
/
2)
энергетическая
светимость
R
–
поток
излучения
с
некоторой
площади
тела
S
:
)
/(
/
St
R
S
R
3)
спектральная
плотность
энергетической
светимости
r
:
энергетическая
светимость
тела
,
приходящаяся
не
некоторый
диапазон
длин
волн
излучения
:
d
dR
r
.
Зависимость
спектральной
плотности
энергетической
светимости
от
длины
волны
называется
спектром
излучения
)
(
f
r
.
Энергетическая
светимость
связана
со
спектральной
плотностью
энергетической
светимости
формулой
:
d
r
R
0
.
4)
монохроматический
коэффициент
поглощения
показывает
,
какая
часть
подающего
потока
поглощается
:
)
(
/
)
(
пад
погл
.
Зависимость
коэффициента
поглощения
от
длины
волны
называется
спектром
поглощения
)
(
f
.
По
типу
спектра
поглощения
все
тела
делятся
:
–
абсолютно
чёрные
тела
(
АЧТ
)
:
1
203
–
серые
тела
:
1
const
–
реальные
тела
:
1
)
(
f
–
серые
тела
:
1
const
–
реальные
тела
:
1
)
(
f
2.
Законы
теплового
излучения
и
их
квантовая
интерпретация
Тепловое
излучение
тел
характеризуется
3
законами
:
А
.
Закон
Кирхгофа
:
для
тел
с
одинаковой
температурой
отношение
спектральной
плотности
энергетической
светимости
к
монохроматическому
показателю
поглощения
есть
величина
постоянная
,
т
.
е
.
1
...
2
1
r
r
,
где
–
спектральная
плотность
энергетической
светимости
АЧТ
.
Из
данного
закона
следует
,
что
–
если
тело
хорошо
поглощает
на
некоторых
длинах
волн
,
то
на
этих
же
длинах
волн
оно
хорошо
излучает
;
–
АЧТ
среди
других
тел
обладает
наибольшей
спектральной
плотностью
энергетической
светимости
;
–
для
реального
тела
спектральная
плотность
энергетической
светимости
может
быть
выражена
через
спектральную
плотность
энергетической
светимости
АЧТ
и
его
монохроматический
показатель
поглощения
:
r
.
Б
.
Закон
Стефана
–
Больцмана
:
Энергетическая
светимость
АЧТ
пропорциональна
четвертой
степени
его
температуры
:
4
T
R
e
,
где
8
10
67
.
5
Вт
/(
м
2
·
К
4
)
–
постоянная
Стефана
–
Больцмана
В
.
Закон
смещения
Вина
:
длина
волны
,
на
которую
приходится
максимум
спектральной
плотности
энергетической
светимости
АЧТ
,
обратно
пропорционально
его
температуре
:
T
b
макс
/
,
где
3
10
9
.
2
b
м
·
К
–
постоянная
Вина
.
Классическая
электродинамика
столкнулась
с
трудностями
в
определении
спектральной
плотности
энергетической
светимости
204
АЧТ
,
и
не
могла
объяснить
выполнение
законов
Вина
и
Стефана
–
Больцмана
.
Противоречия
были
разрешены
М
.
Планком
,
который
предположил
,
что
излучение
и
поглощение
света
АЧТ
осуществляется
не
непрерывно
,
а
порциями
–
квантами
.
Исходя
из
этого
предположения
,
он
получил
выражение
для
спектральной
плотности
энергетической
светимости
АЧТ
:
1
1
2
5
2
kT
hc
e
hc
,
где
34
10
63
.
6
h
Дж
·
с
.
Из
этой
формулы
выводятся
законы
Вина
и
Стефана
–
Больцмана
,
следовательно
,
описание
процессов
испускания
и
поглощения
теплового
излучения
АЧТ
возможно
лишь
в
квантовой
интерпретации
.
3.
Термография
и
тепловидение
Продифференцировав
закон
Стефана
–
Больцмана
,
можно
получить
формулу
:
T
dT
R
dR
4
,
т
.
е
.
относительное
изменение
температуры
тела
вызывает
в
4
раза
большее
относительное
изменение
его
энергетической
светимости
.
Таким
образом
,
можно
определять
температуру
тела
.
Термография
–
метод
определения
температуры
поверхности
тела
по
его
тепловому
излучению
.
При
нормальной
температуре
большая
часть
теплового
излучения
иле
приходится
на
ИК
область
.
Приборы
,
позволяющие
конвертировать
ИК
-
излучение
в
видимое
изображение
,
называются
тепловизорами
или
термографами
.
Термография
может
использоваться
как
метод
быстрой
диагностики
при
определении
зон
аномальной
температуры
тела
человека
:
в
зонах
аномальной
температуры
возможно
нахождение
опухолей
,
очагов
воспаления
и
т
.
д
.
С
помощью
тепловизоров
на
аэровокзалах
определяют
переносчиков
гриппа
и
других
инфекций
,
сопровождающихся
повышением
температуры
;
проводят
исследования
динамики
охлаждения
или
нагревания
тела
при
экстремальных
температурах
.
205
4.
Теория
Бора
.
Спектр
атома
водорода
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
.
Бор
показал
,
что
энергия
электрона
в
атоме
водорода
на
энергетическом
уровне
с
номером
n
определяется
по
формуле
:
2
2
0
4
1
8
n
h
m
e
E
n
.
При
переходах
между
энергетическими
уровнями
k
и
n
поглощается
или
выделяется
квант
энергии
с