Применение возбуждения электронов на практике

Каждый элемент имеет характерное только для него распределение электронов в атомах, а следовательно, и совершенно специфическое расположение электронных энергетических уровней. Отсюда следует, что длины волн и частоты излучения, поглощаемого либо испускаемого при перескоках электронов с одного энергетического уровня на другие, тоже совершенно индивидуальны для каждого элемента. Эта индивидуальность является основой атомной спектроскопии. Ниже будет подробно рассмотрен атомный спектр испускания водорода и показано, как он связан с электронными энергетическими уровнями в атоме водорода. Индивидуальность распределения электронов и их энергетических уровней в атомах каждого конкретного элемента широко используется на практике. Рассмотрим, например, люминесцентное освещение и лазер.

Люминесцентное освещение. Люминесценция -довольно распространенное явление; частный случай ее флуоресценция. На рис. 1.11 показана схема устройства трубки люминесцентного освещения. В этой трубке находятся пары ртути при низком давлении. С раскаленной нити на одном конце трубки в нее поступают электроны. Сталкиваясь с атомами ртути, они возбуждают электроны этих атомов на более высокие энергетические уровни. Когда возбужденные электроны возвращаются на более низкие энергетические уровни, происходит испускание фотонов ультрафиолетового света. Фотоны сталкиваются с атомами, которые образуют люминесцентное покрытие на внутренней поверхности трубки. Электроны в этих атомах становятся возбужденными. Затем они возвращаются на более низкие энергетические уровни, испуская излучение, характерное для вещества, из которого состоит покрытие. Покрытия различных типов позволяют получать освещение различной окраски.

Люминесценция

Некоторые вещества при возбуждении ультрафиолетовым светом или другими видами излучения испускают видимый свет. Это явление называется люминесценцией. Возбуждающее излучение заставляет электроны в атомах, ионах или молекулах вещества переходить в возбужденные состояния. Когда электроны возвращаются а основное состояние, они испускают видимый свет.

Если возврат в основное состояние происходит сразу же после возбуждения, то такое явление называется флуоресценцией. Однако если электроны остаются в возбужденных состояниях и испускают свет только спустя некоторый период времени, явление называется фосфоресценцией.

Химические реакции некоторых соединений, как, например, люминол (5-ами-но-2,3-дигидро-1,4-фталазиндион), сопровождаются хемилюминесценцией.

Люминол

Интенсивность и характер хемилюминесценции зависят от таких факторов, как концентрация реагентов, рН среды и присутствия катализатора.

К числу разновидностей люминесценции, которые наблюдаются в природе, относится молния. Молния является примером электролюминесценции. Некоторые виды бактерий, ракообразных, рыб, грибов, медуз, моллюсков, простейших одноклеточных животных организмов, губок и червей обладают способностью светиться. Вероятно, наиболее известными примерами животных, способных светиться, являются светляки. Такое явление называется биолюминесценцией, или «живым» светом. Оно обусловлено реакцией кислорода с веществом, находящимся в организме, которое называется люциферином. Эта реакция катализируется ферментом люциферазой. Млекопитающие, птицы, пресмыкающиеся, амфибии и лиственные растения не обнаруживают люминесценции.

Образцы некоторых минералов, как, например, флюорит CaF2, флуоресцируют при освещении ультрафиолетовым излучением. Наличие или отсутствие флуоресценции у каждого конкретного образца зависит от точного состава минерала.

Минерал барит, состоящий главным образом из сульфата бария BaSO4, обладает свойством светиться в темноте, если его предварительно нагреть до температуры ниже красного каления. Такое явление называется термолюминесценцией.

Люминесценцию следует отличать от температурного свечения, испускаемого телами, которые нагреты до очень высокой температуры, т.е. в результате накаливания.

 

Лазер. Выше было указано, что когда электроны, находящиеся в возбужденном состоянии, возвращаются на более низкие энергетические уровни, этот переход сопровождается излучением фотонов с характеристической длиной волны (так называемым стимулированным излучением). (Этот процесс в каждом из атомов рано или поздно происходит самопроизвольно, но фотоны, испущенные одними атомами, заставляют другие атомы скорее испускать свое излучение, стимулируют его-Перев.)

Слово «лазер» представляет собой аббревиатуру из английских слов, означающие «усиление света стимулированным испусканием излучения». Простейший лазер состоит из трех частей: рубинового стержня, лампы-вспышки и пары зеркал, между которым! находится рубиновый стержень; роль этих зеркал выполняют отражающие металли ческие покрытия, нанесенные на торцы стержня (рис. 1.12). Одно из покрытий сделанс полупрозрачным.

Вспышка импульсной ультрафиолетовой лампы возбуждает электроны в руби новом стержне. Некоторые из возбужденных электронов немедленно и самопроиз вольно возвращаются на более низкие энергетические уровни. При этом-они испускаю фотоны. Эти фотоны отражаются внутрь рубинового стержня зеркальными покры тиями на его концах и стимулируют испускание фотонов другими возбужденным атомами. Возникает цепная реакция, которая приводит к тому, что все остающиес возбужденными электроны практически одновременно возвращаются на свои низши энергетические уровни. Это приводит к появлению чрезвычайно интенсивного и\ пульса света, имеющего строго определенное направление и частоту. Поскольку оди из зеркальных покрытий стержня полупрозрачно, оно позволяет световому импульс выйти наружу.

 

Оглавление: