Атомна спектрална линия

Атомна спектрална линия във физиката е спектрална линия, която може да бъде два вида:

Емисионна линия е налице, когато електрон извърши преход от някое дискретно енергийно ниво в атома към ниво с по-ниска енергия, при което се излъчва фотон с определена енергия и съответна дължина на вълната. Спектърът на емисия на множество такива фотони формира спектралната линия.
Абсорбционна линия е налице, когато електронът извърши преход към състояние с по-ниска към състояние с по-висока енергия. За да извърши прехода е необходимо той да погълне фотон. Тези абсорбирани фотони идват най-общо от фоновия непрекъснат спектър и при наблюдение на съответните места на поглъщане се наблюдава прекъсване в непрекъснатия спектър.

Споменатите две състояния на електрона трябва да са свързани, т.е. електронът да е свързан в атома, за разлика от процеса на йонизация, при който електронът напуска атома и се генерира непрекъснат спектър. Атомните спектрални линии са строго специфични и могат да се използват за определяне на химическия състав на всяка среда, пропускаща светлина (обикновено се използва газ). (За повече информация виж Спектроскопия).

В описания процес се освобождава или поглъща фотон с енергия, равна на разликата в енергиите на двете нива. Честотата $\nu$ на получената спектрална линия е свързана с енергията на фотона $E$ чрез закона на Планк $E=h\nu$ където $h$ е константа на Планк.

Коефициенти на Айнщайн[редактиране | редактиране на кода]

През 1916 Алберт Айнщайн предлага теорията, че при формирането на атомната спектрална линия участват три различни процеса: спонтанна емисия, стимулирана емисия и абсорбция и за всеки от тях съществува коефициент, който определя вероятността за наблюдаване на конкретния процес.

Спонтанна емисия[редактиране | редактиране на кода]

Схематично представяне на спонтанна емисия

Спонтанна емисия е процесът, при който електронът „спонтанно“ (без външно влияние) преминава от по-високо на по-ниско енергийно ниво. Процесът се описва от коефициента на Айнщайн A₂₁ (s⁻¹) който определя вероятността електрон в състояние 2 и енергия $E_{2}$ да премине спонтанно в състояние 1 с енергия $E_{1}$ , изпускайки фотон с енергия $E_{2}-E_{1}=h\nu$ . Всъщност поради принципа за неопределеност преходът се извършва от фотони в диапазон от честоти, което води до известна ширина на спектралната линия. Ако с $n_{i}$ означим плътността на атомите в състояние i то промяната на плътността на атомите 1 вследствие на спонтанна емисия за единица време ще е:

\left({\frac {dn_{1}}{dt}}\right)_{A_{21}}=A_{21}n_{2}

При поглъщане на атомна спектрална линия се използва също коефициент на Айнщайн за абсорбция, но с отчитане на законите на термодинамиката и по-точно на закона за излъчването на Кирхоф, е необходимо пълната абсорбция да се представи като две компоненти, означавани съответно с $B_{12}$ и $B_{21}$ , които могат да бъдат разглеждани като позитивна (фото или оптична абсорбция) и негативна абсорбция (всъщност стимулирано или индуцирано излъчване).^[1]^[2]^[3] Както и коефициентът $A_{21}$ , абсорбционните коефициенти са също тясно свързани с конкретния атом и конкретните две енергийни нива.

Стимулирана емисия[редактиране | редактиране на кода]

Схематично представяне на стимулирана емисия

Стимулираната емисия е процесът, при който електронът преминава от по-високо към по-ниско енергийно ниво поради наличието на външно електромагнитно излъчване с равна или близка честота на прехода и определена спектрална яркост. То се описва от коефициента на Айнщайн $B_{21}$ (sr·m²·Hz·W⁻¹·s⁻¹ = sr·m²·J⁻¹·s⁻¹), който определя вероятността електрон в състояние 2 и енергия $E_{2}$ да извърши преход към състояние 1 и енергия $E_{1}$ , излъчвайки фотон с енергия $E_{2}-E_{1}=h\nu$ . Промяната на плътността на атомите 1 вследствие на стимулирана емисия за единица време ще е:

\left({\frac {dn_{1}}{dt}}\right)_{B_{21}}=B_{21}n_{2}\rho (\nu );\quad \quad \rho (\nu )={\frac {2h\nu ^{3}}{c^{2}(e^{h\nu /kT}-1)}}

където $\rho (\nu )$ е спектралната яркост на външното електромагнитно поле (виж Закон на Планк).

Стимулираната емисия е един от най-важните процеси, чието изследване доведе до изобретяването на лазера.

Оптична абсорбция[редактиране | редактиране на кода]

Схематично представяне на атомна абсорбция

При абсорбцията фотонът се поглъща от атома, което води до преход на електрона от по-ниско на по-високо енергийно ниво. Съответният коефициент на Айнщайн е $B_{12}$ (sr·m²·Hz·W⁻¹·s⁻¹ = sr·m²·J⁻¹·s⁻¹), определящ вероятността (за единица спектрална яркост) електрон в състояние 1 и енергия $E_{1}$ да погълне фотон с енергия $E_{2}-E_{1}=h\nu$ и да премине в състояние 2 с енергия $E_{2}$ . Промяната на плътността на атомите 1 вследствие на абсорбцията е:

\left({\frac {dn_{1}}{dt}}\right)_{B_{12}}=-B_{12}n_{1}\rho (\nu )

В практиката се използва величината коефициент на абсорбция $\kappa$ , измерван с единици на реципрочна дължина (1/дължината). Изразът κ' dx определя каква част от светлината е погълната на разстояние dx. Той е свързан с абсорбционните коефициенти на Айнщайн по следния начин:

\kappa '={\frac {h\nu }{4\pi }}~(n_{1}B_{12}-n_{2}B_{21})\,

За разлика от коефициентите на Айнщайн, плътностите на атомните състояния $n_{2}$ и $n_{1}$ зависят от много други фактори, а не само от свойствата на атома: физическото състояние на газа и по-специално дали той се намира в термодинамично равновесие. В случаите, когато газът е в пълно или локално термодинамично равновесие, тези плътности се подчиняват на разпределението на Максуел-Болцман, но в други случаи (например в лазерите) изчислението им е много по-сложно.

Източници[редактиране | редактиране на кода]

↑ Weinstein, M.A. (1960). On the validity of Kirchhoff's law for a freely radiating body, American Journal of Physics, 28: 123-25.
↑ Burkhard, D.G., Lochhead, J.V.S., Penchina, C.M. (1972). On the validity of Kirchhoff's law in a nonequilibrium environment, American Journal of Physics, 40: 1794-1798.
↑ Baltes, H.P. (1976). On the validity of Kirchhoff's law of heat radiation for a body in a nonequilibrium environment, Chapter 1, pages 1-25 of Progress in Optics XIII, edited by E. Wolf, North-Holland, ISSN 00796638.

Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата Atomic spectral line в Уикипедия на английски. Оригиналният текст, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс – Признание – Споделяне на споделеното“, а за съдържание, създадено преди юни 2009 година – от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, както и на преводната страница, за да видите списъка на съавторите.

ВАЖНО: Този шаблон се отнася единствено до авторските права върху съдържанието на статията. Добавянето му не отменя изискването да се посочват конкретни източници на твърденията, които да бъдат благонадеждни.

[1] Weinstein, M.A. (1960). On the validity of Kirchhoff's law for a freely radiating body, American Journal of Physics, 28: 123-25.

[2] Burkhard, D.G., Lochhead, J.V.S., Penchina, C.M. (1972). On the validity of Kirchhoff's law in a nonequilibrium environment, American Journal of Physics, 40: 1794-1798.

[3] Baltes, H.P. (1976). On the validity of Kirchhoff's law of heat radiation for a body in a nonequilibrium environment, Chapter 1, pages 1-25 of Progress in Optics XIII, edited by E. Wolf, North-Holland, ISSN 00796638.

[1]

[2]

[3]