Излучение атома и плазмы



В статье рассматривается излучение атома и на его основе рассматривается излучение плазмы газового разряда. Применение излучения атомов и молекул в области построения спектров излучения и анализ с его помощью.

Ключевые слова: излучение атома, механизмы плазменного излучения, методы спектрального анализа, спектры излучения, формула Ридберга

Сегодня, в любой области науки и производства используется спектральный анализ, основанный с помощью излучения атома вещества. Спектральный анализ позволяет существенно повысить точность определения состава вещества без внесения каких-либо вспомогательных тел.

1. Излучение атома иплазмы.

Возникновение атомного спектра характеризуется поглощением излучения или его испусканием, состоящий в совокупности из единичных спектральных линий свободных атомов газа [2]. Такой спектр характеризуется отдельным параметром — частотой излучения, которая в свою очередь равняется энергии межуровневым переходом атома:

hv = E₂ — E₁.

Фактически все спектры излучения атома располагаются в видимых и ультрафиолетовых областях, длина волны которых достигает от 200 до 1190 нм.

Возбудить атом для получения излучения можно разными способами, в основном это сообщение энергии через тепловое столкновение или электронным ударом. За время нахождения в возбужденном состоянии атом теряет большую долю своей энергии на испускание кванта электромагнитного излучения.

Также как и в излучении в атоме, в плазме излучение характеризуется интенсивностью процессов испускания или поглощения электромагнитной энергии [1]. Спектральная излучательная способность представляет собой распределение фотонов по длине волны, создаваемых в единице объема плазмы.

Одним из главных видов потерь плазмы как раз и является ее излучение. Данный вид получения энергии довольно широко используют в данное время в промышленности.

Способы (механизмы) плазменного излучения можно разделить на следующие, которые описываются либо собственными свойствами отдельных заряженных частиц, в иных случаях нейтральных, которые образуют плазму, либо свойствами коллективного взаимодействия — колебательно-волновыми [1]. Существует несколько основных видов индивидуального излучения отдельных частиц, такие как:

− излучение линейчатого характера, получаемое при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой, один из самых используемых излучений плазмы для исследования;

− излучение фоторекомбинационного характера возникает, если электрон с определенной энергией может поглотиться на одном из энергетических уровней, происходит некий захват частиц, или рекомбинация;

− тормозное излучение свободного электрона в поле иона;

− циклотронное излучение электрона при его вращении в магнитном поле.

Эти виды плазменного излучения основываются на ускорении частиц во внешних электрических или магнитных полях. Так как все заряженные частицы в плазме двигаются по нелинейным траекториям, они характеризуются некой угловой скоростью поворота, что позволяет в свою очередь иметь представление о характерной частоте плазменного излучения. Зная все эти величины можно определить интенсивность по следующей формуле:

I = (2/3)е²w²/с³,

где w — угловая скорость.

Большой вклад в резкое отличие интенсивности общей картины от интенсивности отдельных характерных частот вносит род поля, которое в свою очередь вызывает ускорение заряженных частиц. Спектр можно назвать дискретным, если электрон находится в состоянии периодического вращения, если нет, то спектр будет непрерывным. В случае фоторекомбинационного излучения в непрерывном спектре присутствуют резкие скачки на определенных длинах волн, которые зависят от состава излучаемого вещества. В этих скачках происходит рекомбинация электрона на один из энергетических уровней иона. В случае излучения линейчатого характера из-за низкой скорости передвижения атомов и ионов дискретность спектра не нарушается. Так как в данном излучении низкие скорости, то доплеровские сдвиги относительно малы, в ином случае, если скорость передвижения гораздо больше, например, в циклотронном излучении, то и сдвиги будут увеличиваться. Такие сдвиги в свою очередь сводят высокие гармоники в один непрерывный спектр.

Как говорилось раньше, линии интенсивности зависят от рода вещества, его атома, который определяется зарядом ядра и количеством окружающих его электронов. Спектры элементов, имеющих равное количество валентных электронов, близки по значениям друг с другом.

Определить длину световой волны можно при помощи следующей формулы, или называемой формулой Ридберга:

,

где 1,09710⁷ м^{–1 —} постоянная Ридберга, = 3.29110¹⁵.

Численные значения 1, 2, 3… — определяют серию, а n — целочисленное значение, начинающееся с (), оно определяет отдельные линии этой серии. Эти серии распределяются на несколько видов, в зависимости от численного значения: серия Лаймана (m = 1; n = 2, 3, 4…), они расположены в ультрафиолетовой области спектра; серия Бальмера (m = 2; n = 3, 4, 5…), диапазон видимой области. Переходы, которые происходят на высших уровнях, называют серии Пашена и Брэккета (m = 3 и m = 4 соответственно), они расположены в области инфракрасного излучения. В целом можно получить следующую картину возможного излучения, в частности для атома водорода, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Спектральные линии атома водорода

Теория Бора полностью описывает возникающий спектр атома водорода, каждая линия которого относится к излучению возникающего вследствие перехода атома из возбужденного в состояние, расположенное ниже данного [2].

Все состояния могут быть представлены одной формулой, именуемой формулой Бальмера:

.

В связи с излучением атомов в науке был введен новый спектр и анализ на его основе.

Полная картина разделения методов спектрального анализа представлена на рис. 2.

Рис. 2. Классификация методов спектрального анализа

Контур спектра представляется в виде суммарного распределения интенсивностей, в зависимости от длины волны. Характеризуется шириной спектральной линии и ее сдвигом. Любые возбужденные атомы не имеют точного значения, они размыты. Определяется приращением длин волн (или частот) в середине максимального значения интенсивности.

Литература:

1. Александров А. Ф., Богданкевич Л. С., Рухадзе А. А. Основы электродинамики плазмы, М.: Высшая школа, 1988.
2. Гарифзянов А. Р. Атомно-абсорбционная спектроскопия. К.: Казанский федеральный университет, 2009.