Оптические атомные спектры. Молекулярные спектры. Электронные энергетические уровни атомов и молекул
АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ- спектры оптические, получающиеся при испускании или поглощении эл.-магн. излучения свободными или слабо связанными атомами (напр., в газах или парах). Являются линейчатыми, т. е. состоят из отд. спектральных линий. Спектр. линии можно характеризовать также длиной волны l=c/v, волн. числом 1/l=v/c (в спектроскопии его часто обозначают v) и энергией фотона hv. А. с. обладают ярко выраженной индивидуальностью, их вид определяется строением атома данного элемента и внеш. факторами - темп-рой, давлением, электрич. и магн. полями и т. д.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СПЕКТРЫ- оптические спектры испускания, поглощения и рассеяния света, принадлежащие свободным или слабо связанным молекулам. Состоят из спектральных полос и линий, структура и расположение которых типичны для испускающих их молекул. Возникают при квантовых переходах между электронными, колебательными и вращательными уровнями энергии молекул. Соответственно различают электронные, колебательные и вращательные молекулярные спектры. Усложняются с увеличением числа атомов в молекуле. По молекулярным спектрам изучают структуру, состояния, свойства молекул, а также осуществляют молекулярный спектральный анализ вещества.
Частота, излучаемая или поглощаемая молекулой:
۷ = 1/h (∆Eэл + ∆Eкол + ∆Eвр)
Причём ∆Eэл >> ∆Eкол >> ∆Eвр
Если ∆Eэл =0 и ∆Eкол =0, а ∆Eвр ≠0, то получают состоящие из отдельных линий чисто вращательные молекулярные спектры, которым отвечают невысокие частоты. (такие спектры наблюдаются в далёкой инфракрасной и микроволновой областях)
Если ∆Eэл =0, а ∆Eкол ≠0, то обычно одновременно и ∆Eвр ≠0, при этом возникает колебательно-вращательный спектр. Он состоит из колебательных полос, распадающихся при достаточном разрешении спектрального прибора на отдельные вращательные линии. (Эти спектры наблюдают в близкой инфракрасной области).
Колебательно-вращательный спектр метана.
При ∆Eэл ≠0 обычно одновременно ∆Eкол ≠0 и ∆Eвр ≠0. Образуются электронно-колебательно-вращательные спектры. Они состоят из различных полос, а полосы — из линий, соответствующих вращательным переходам. (наблюдаются в видимой и ультрафиолетовой областях).
Люминесценция. Спектры люминесценции. Виды люминесценции. Закон Стокса для фотолюминесценции. Хемилюминесценция. Люминесцентная микроскопия.
Люминесценцией называют избыточное над тепловым излучение тела, имеющее длительность, значительно превышающую период (10-15с) излучаемых световых волн.
Люминесценция обычно наблюдается в видимой или ультрафиолетовой областях спектра. Люминесценция наблюдается при любых температурах, поэтому ее часто называют холодным свечением. Люминесцируют электронно-возбужденные молекулы (атомы).
Виды люминесценции:
Л., вызванная заряженными частицами:
ионами- ионолюминесценция,
электронами- катодолюминесценция,
ядерным излучением- радиолюминесценция.
Л. под воздействием рентгеновского и гамма – излучения называют рентгенолюминесценцией,
Фотонов видимого света – фотолюминесценцией.
При растирании, раздавливании или раскалывании некоторых кристаллов возникает триболюминесценция.
Электрическим полем возбуждается электролюминесценция, частным случаем которой является свечение газового разряда.
Люминесценцию, сопровождающую экзотермическую химическую реакцию, называют хемилюминесценция.
Спектром люминесценции называют зависимость интенсивности люминесцентного излучения от длины волны испускаемого света. Наиболее простые — атомные спектры, в которых указанная выше зависимость определяется только электронным строением атома. Спектры молекул гораздо более сложные вследствие того, что в молекуле реализуются различные деформационные и валентные колебания. Форма спектра Л. не зависит от способа возбуждения молекулы. Спектральное положение полосы флуоресценции зависит от длины системы сопряженных двойных связей l:
Чем больше l, тем большей длине волны соответствует максимум флуоресценции(лямбда макс)
Фотолюминесценцией называется излучение электромагнитной энергии, возбуждаемое в веществе под действием оптического излучения ультрафиолетового или видимого диапазонов, избыточное по сравнению с тепловым излучением, при условии, что такое избыточное излучение имеет длительность, превышающую период электромагнитных колебаний (люминесценция) и время релаксационных процессов.
Закон Стокса для фотолюминесценции:
спектр люминесценции сдвинут в длинноволновую область относительно спектра поглощения того же соединения. Причина сдвига спектров заключается в том, что электронный переход при поглощении происходит с нижнего колебательного уровня основного состояния на любые колебательные уровни возбужденных электронных уровней, при этом часть энергии возбуждения молекул переходит в тепло.
Хемилюминесценцией называют свечение, сопровождающее химические реакции. Наличие такого свечения означает, что энергия, которая выделяется на одной из стадий химического процесса оказывается достаточной для образования одного из продуктов реакции в электронно-возбужденном состоянии. Х. в системах, содержащих активные форсы кислорода(пероксид водорода).
Х. сопровождает реакции цепного окисления органических соединений. Измерение характеристик Х.- удобный метод контроля за течением химической реакции, это наиболее чувствительный метод для обнаружения свободных радикалов.
Люминесцентная микроскопия — оптическое исследование микрообъектов, окрашенных специальными красителями (флюорохромами), испускающими свечение при воздействии ультрафиолетовыми лучами. Для люминесцентной микроскопии применяются специальные оптические устройства и микроскопы, основной частью которых является источник ультрафиолетовых лучей и система фильтров к нему. Флюорохромы, как правило, флюоресцируют по-разному в зависимости от химического состава структур, с которыми они взаимодействуют.
Видимая люминесценция препарата возбуждается либо сине-фиолетовым светом, либо ультрафиолетовыми лучами. При люминесцентной микроскопии можно изучать и вторичную люминесценцию клеток и тканей.
49. Спектрофотометрия. Спектрофлуориметрия.
Спектрофотометрия (абсорбционная) — физико-химический метод исследования растворов и твёрдых веществ, основанный на изучении спектров поглощения в ультрафиолетовой (200—400 нм), видимой (400—760 нм) и инфракрасной (>760 нм) областях спектра. Основная зависимость, изучаемая в спектрофотометрии зависимость интенсивности поглощения падающего света от длины волны. Измерение интенсивности сводится к определению доли энергии падающего излучения, поглощенной веществом, т.е. анализ проводится на основе закона Бугера-Ламберта-Бера: 
где kλ — показатель поглощения, различный для разных длин волн К, но не зависящих от интенсивности света I.
Спектрофотометрию применяют в биологии и медицине для проведения качественного и количественного анализа различных соединений, а также для изучения физико-химического состояния биомолекул. Применение этого метода позвонляет, не нарушая целостность клеток и тканей, наблюдать за ходом химических процессов в них, а так же судить о строении молекул и состоянии биологических структур. Приборы спектрофотометрии — спектрофотометры.
Спектрофлуориметрия -принцип испускание света, длина волны которого больше чем длина волны поглощенного света. Применение - количественный анализ, кинетика, качественный анализ.
50. Лазер. Когерентность излучения. Распределение Больцмана. Понятия инверсной заселённости, вынужденного излучения. Рабочее вещество лазера. Виды источников энергетической накачки. Основные компоненты конструкции лазера. Особенности лазерного излучения.
Лазер -оптический квантовый генератор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Когерентность - согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Когерентность выражается в постоянстве или закономерной связи между фазами, частотами, поляризациями и амплитудами этих волн.
Временная когерентность - состояние, при котором световые волны на протяжении своего периода проходят данную область в пространстве за одно и то же время.
Пространственная когерентность - состояние, при котором световые волны, проходящие через пространство, не обязательно совпадают по частоте, но совпадают по фазе.
Органические молекулы, имеющие систему сопряженных двойных связей, в основном состоянии почти все находятся в нижнем колебательном состоянии электронного уровня. Распределение молекул по энергетическим уровням за счет тепловой энергии определяется распределением Больцмана.
Применительно к гравитационному полю это распределение может быть записано в виде зависимости концентрации n молекул от высоты h над уровнем Земли или от потенциальной энергии молекулы m0gh:
n = n0 
Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньшей энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда – активной. Активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывает вынужденные переходы на более низкий уровень с испусканием квантов излучения, является рабочим веществом лазера.
Вынужденное излучение, индуцированное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными.
Первый лазер был создан с кристаллом рубина качестве рабочего вещества. Был создан газовый гелий-неоновый лазер. Все кол-во лазеров можно классифицировать по видам рабочего вещества:газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные.
Виды источников энергетической накачки: возбуждение очень интенсивным светом – «оптическая накачка», электрическим газовым разрядом, в полупроводниковых лазерах – электрическим током.
Основными компонентами конструкции лазерной установки являются активная среда лазера, лазерная энергия накачки, высокий отражатель, прибор сцепки и лазерный луч. Активная среда лазера расположена в рефлексивной оптической впадине, куда направляется энергия накачки. Активная среда лазера – это материал, обладающий определенными свойствами, которые позволяют усиливать свет стимулируемой эмиссией. В своей самой простой форме эта впадина активной среды состоит из двух зеркал (одно из которых прозрачно), расположенных таким образом, что свет прыгает назад-вперед, каждый раз проходя через активную среду.
Свет, проходя через активную среду, неоднократно усиливается, выходя пучком лучей со стороны прозрачного зеркала. Энергия накачки лазера, как правило, поставляется как электрический ток или как свет волнами различной длины. Такой свет может быть обеспечен лампой или другим лазером. Большинство практических лазеров содержит дополнительные элементы, которые отвечают за такие свойства, как длина волны излучаемого света или форма луча.
Лазерное излучение уникально благодаря трем только ему присущим свойствам.
1) Когерентность. В физике существует 2 типа когерентности - пространственная и временная. Пространственная когерентность выражается в однотипности волнового фронта, т. е. пики и спады волн располагаются параллельно, когда свет выходит из лазера. Это обеспечивает синхронизацию фаз и фокусировку на очень маленькие участки.
2) Монохромность (временная когерентность). Это означает, что световые волны имеют одинаковую длину. Некоторые лазеры испускают лучи разной длины волны. Но явление это предсказуемо, и лазеры излучают свет только той длины, которая предусмотрена используемой в лазере средой.
3) Коллимация. Это означает, что все лучи, испускаемые лазером, параллельны и не рассеиваются с расстоянием.
4) Достаточно большая мощность.
51. Виды радиоактивных излучений. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.
Радиоактивность -явление самопроизвольного превращения одних атомных ядер в другие, сопровождающееся испусканием различных видов ионизирующих излучений.
Основные типы радиоактивного распада:
Закон радиоактивного распада: число радиоактивных ядер, которые еще не распались, убывает со временем по экспоненциальному закону: 
52. Взаимодействие заряженных (α-, β- и μ-излучений) с веществом. Этапы взаимодействия