 |
 |
 |
 |
При разряде в молекулярных газах наблюдается спектр, состоящий из очень большого числа близко расположенных линий, производящих впечатление полос,- полосатый спектр.
Для выяснения механизма и закономерностей излучения разряда необходимо знать прежде всего спектры излучения изолированных атомов различных веществ, а также процессы возникновения, движения и разрушения возбужденных атомов и фотонов в различных условиях разряда.
2.2. СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМОВ
Энергетические состояния атома и излучение [0.1]. Нормально атом находится в состоянии с наименьшей возможной энергией. При известных условиях он может поглотить энергию извне, причем в зависимости от величины поглощенной энергии может либо возбудиться, либо ионизоваться. При возбуждении атома валентный электрон переходит на один из более высоких энергетических уровней, оставаясь связанным с ядром. При ионизации, требующей большой величины энергии, атом распадается на свободный электрон и положительный ион.
Большинство возбужденных состояний атома являются неустойчивыми, и спустя некоторый промежуток времени возбужденный атом переходит в состояние с меньшей энергией, испуская при этом фотон, уносящий разность энергий. Частота испускаемого при этом излучения v определяется известным соотношением;
hv = W,-Wu (2.1)
где 112 - потенциальная энергия возбуждаемого атома до излучения; Wi - потенциальная энергия атома после излучения; h - постоянная Планка, равная 6,62-10-34 Дж-с.
Поскольку энергии возбуждения атомов Ul могут иметь только определенные дискретные значения, характерные для атомов каждого вещества, спектр излучения атомов может состоять только из дискретных частот, определяемых соотношением (2.1). Чем меньше энергия возбужденных атомов отличается от энергии нормального состояния, тем меньшее число частот, или, иначе говоря, спектральных линий, они могут излучать, и наоборот.
Спектральные линии, излучаемые в результате перехода атома из самого низкого возбужденного состояния в нормальное невозбужденное, называются резонансными.
Средняя продолжительность жизни возбужденных атомов в некотором возбужденном состоянии «в» является понятием статистическим. Если концентрация атомов на уровне «в» не пополняется, то она убывает со временем по экспоненте:
Пв(0 = «в (0) е~* = пв(0) е~*, (2.2)
где Пв(0) и Пв (О - концентрации на уровне «в» соответственно в начальный момент времени и через время t\ Тв - средняя продолжительность жизни
атома, возбужденного до уровня «в»; обратная величина Yb=1/Tb называется «коэффициентом затухания» уровня «в». Таким образом, Тв - это время, в течение которого концентрация на уровне «в» падает в е раз. Если уменьшение концентрации происходит только за счет спонтанных переходов на нижние уровни, то
/=-1
Ъ = 1 / 2 Л.н, (2.3)
/ н=0
где Лв.н - вероятности перехода возбужденного атома из энергетического состояния «в» во все более низкие состояния «и» путем спонтанного излучения.
Экспериментально и теоретически установлено, что в отношении излучения действует правило отбора. Согласно этому правилу вероятности излучения Ав.« имеют конечные значения для переходов, при которых побочное квантовое число изменяется на +1 (А/=+1), а внутренне квантовое число ; - на А; =+1 или 0. Для главного квантового числа правил отбора нет. В остальных случаях изменения I и / вероятности излучения оказываются равными (или близкими) нулю. Правило отбора действует тем строже, чем меньше количество электронов в атоме. У многоэлектронных атомов имеется конечная вероятность излучения линий при переходах, запрещенных правилами отбора. В отношении возбуждения атома правил отбора нет, т. е. при возбуждении атом может переходить с любого уровня на любой, хотя также с различной вероятностью.
Средняя продолжительность жизни возбужденных атомов, для которых возможны переходы с излучением, составляет 10--10" с. Атомы некоторых веществ имеют уровни возбуждения, с которых переходы в более низкое энергетическое состояние с излучением запрещены (точнее, имеют очень малую вероятность). Соответственно этому продолжительности жизни атомов в таких состояниях относительно велики и исчисляются временами от тысячных долей до нескольких секунд. Такие состояния называются м е т а с т а-б и л ь н ы м и.
Графическое изображение энергетических уровней и спектральных линий атомов. Возбужденные состояния атомов принято изображать графическими схемами. По вертикальной оси обычно откладываются энергии возбужденных состояний, причем за начало отсчета принимается энергия нормального состояния. Энергии откладываются в электрон-вольтах по левой стороне и Б волновых числах по правой стороне прямоугольника. Волновым числом называется число волн, укладывающихся на длине в 1 см, т. е. величина v=l/X. Единица измерения называется «обратным сантиметром» - см-. Вверху проводится горизонтальная черта на расстоянии, соответствующем в избранном масштабе энергии ионизации. На этой черте проставляются символы термов S, jP, D, F, соответствующие значениям /=0, 1, 2, 3 и т. д., и проводят тонкие вертикальные линии.
Как следует из правил отбора, спектральные линии на графической схеме будут изображаться отрезками прямых, соединяющих энергетические уровни Наискосок.
Na
Рис. 2.1 Видимый спектр атомов: натрия, ртути и неона
Наличие у электронов момента спина вызывает расщепление уровней (термов) на подуровни, кроме S-термов. У атомов с одним валентным электроном (щелочные металлы) уровни расщепляются на два подуровня (дублеты). У атомов с двумя валентными электронами (Zn, Cd, Hg) в зависимости от расположения спинов электронов термы являются одиночными (сингулеты) либо распадаются на три подуровня (триплеты). Подробнее см. в [0.1].
Спектральные линии принято делить на серии. Главной серией {principal) называют группу линий, соответствующих переходам с уровней Р ка ближайший к ядру свободный уровень S. Резкой серией (sharp) - переходы с уровней S на Р. Диффузной (diffuse)-переходы с уровней D на Р. Фундаментальной серией (fundamental) - переходы с уров ней F на D.
Спектры излучения атомов некоторых элементов. В современных разрядных источниках излучения находят применение пары многих металлов. Наиболее широкое распространение получили ртутные и натриевые лампы. Из газов для целей излучения находят применение, главным образом, инертные газы (гелий Не, неон Ne, аргон Аг, криптон Кг, ксенон Хе), реже - азот n2, водород Нг и некоторые другие газы. Среди ламп с газовым наполнением наиболее широко применяются лампы с неоном и ксеноном.
На рис. 2.1 приведены в качестве иллюстрации видимые спектры атомов натрия Na, ртути Hg и иеона Ne.
На рис. 2.2-2.5 даны схемы энергетических уровней атомов натрия Na, ртути Hg, таллия Т1 и неона Ne.
0 1 2 3 4 5 [ 6 ] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239