ГЛАВА 3. ПОЧЕМУ МЫ НАБЛЮДАЕМ СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ.

      На первый взгляд этот вопрос подразумевает собой простой ответ. Но вначале вспомним, что такое спектр испускания.

Все элементы имеют спектры испускания, причем каждый элемент имеет присущий только ему спектр испускания. Светлая линия в спектре испускания элемента соответствует переходу орбитального электрона этого элемента с возбужденного уровня на основной или же на промежуточный уровень. При этом переходе электрона излучается строго определенная энергия в виде кванта определенной длины волны. При наблюдении в спектроскоп на месте, которое соответствует этой длине волны, мы наблюдаем светлую линию.

      После того как мы вспомнили, что такое спектр испускания элемента, не трудно понять, как получается спектр поглощения элемента. Если непрерывный спектр пропустить сквозь некоторый объем паров какого-либо элемента, то пары этого элемента будут легко поглощать кванты той длины волны, которые они излучают при переходе из возбужденного состояния в основное. Только теперь будет наоборот - атом находился в невозбужденном состоянии, поглотил квант энергии и перешел в возбужденное состояние. А в непрерывном спектре на этом месте появилась темная линия - линия поглощения. Вопрос, казалось бы, исчерпан. Но давайте порассуждаем дальше.

Мы остановились на том моменте, когда исследуемый нами атом поглотил квант энергии и перешел в возбужденное состояние. А что дальше происходит с возбужденным атомом? Беспредельно только поглощать кванты пары испытуемого нами элемента не могут. Если бы так было, то, в конце концов, от накопленной энергии атомы превращались бы в ионы. И в спектроскоп мы не смогли бы наблюдать темную линию. Но этого не происходит. Значит атом, поглощая квант и переходя при этом в возбужденное состояние, через некоторый промежуток времени излучает точно такой же квант, который только что поглотил. Но тогда со временем должно наступить равновесное состояние, - сколько квантов пары исследуемого элемента поглотили, столько таких же квантов они должны излучить. Темную линию в спектре поглощения мы и в этом случае наблюдать не должны.

      Значит, вопрос, почему мы наблюдаем спектр поглощения, не такой простой, как казался в начале рассуждения.

Примечание автора.

Сразу напрашивается  ответ - атом поглощает квант и возбуждается. А при переходе в невозбужденное состояние проходит через промежуточный уровень и излучает, например, два кванта, сумма энергии которых равна энергии поглощенного кванта. Но тогда мы наблюдали бы спектральное усиление этих двух линий, соответствующих длинам волн двух переизлученных квантов.

 

Для более ясного представления происходящего процесса нарисуем схему эксперимента. Из рисунка 3а видно, что абсолютно черное тело /А.Ч. тело/ излучает непрерывный спектр во все стороны. На пути к спектроскопу установлен прозрачный сосуд с парами исследуемого элемента. В спектроскоп смотрит наблюдатель. Поскольку интересующие нас процессы излучения и поглощения квантов будут происходить в сосуде с парами исследуемо­го элемента, то вынесем небольшой объем этого сосуда в увеличенном виде и посмотрим, какие процессы там происходят. Из всего непрерывного спектра А.Ч. тела нас будут интересовать только кванты той длины волны, которые поглощают пары исследуемого нами элемента.

      Рассмотрим процесс поглощения квантов парами исследуемо­го элемента. Как видно из рисунка, восемь квантов  а', б', в' и т.д., энергия которых способна возбудить атомы исследуемого элемента, попадают в восемь атомов /а, б, в, г, д, е, ж, з/ и возбуждают их. В возбужденном состоянии атомы находятся недолго. По истечении некоторого времени возбужденный атом вновь перейдет в свое основное состояние, излучив при этом точно такой же квант, который получил. Но в какую сторону будет направлено излучение переизлученного кванта? В сторону наблюдателя или в сторону А.Ч. тела? Естественно предположить, что кванту безразлично в какую сторону переизлучаться. Все направления переизлучения равновероятны. Нас будут интересовать направления в сторону наблюдателя или от него. Значит, с одинаковой вероятностью переизлученный квант будет направлен как в сторону наблюдателя, так и от него. Вероятность в этом случае равна 1/2. Следовательно, из восьми первоначально возбужденных атомов четыре /б, г, е, з/ излучили свои кванты в сторону наблюдателя, а четыре /а, в, д, ж/ в сторону А.Ч, тела и, попав на его поверхность, вновь отдадут ему свою энергию. Четыре кванта, которые переизлучились в сторону наблюдателя, вновь попадут в четыре атома исследуемого элемента /атомы и, к, л, м/ и возбудят их. Те в свою очередь перейдут в возбужденное состояние. Через мгновение возвратятся в свое основное состояние, излучив каждый точно такой же квант. Как и в предыдущий раз, два переизлученных кванта /излученные атомами и, л/ направлены в сторону А.Ч.тела, а два /излученные атомами к, м/ в сторону наблюдателя. Далее показано, что два кванта, излученные в сторону наблюдателя., попадут в два атома /н, о/, переизлучатся, и наблюдателя достигнет только один квант. Один квант из восьми. А остальные семь возвратили свою энергию А.Ч.телу. Теперь стал понятен физический смысл фразы "поглощение атомами спектральной линии той длины волны, которую они излучают". На самом деле идет переизлучение квантов, и правильнее было бы назвать не спектр поглощения, а спектр переизлучения. Эти рассуждения полностью подтверждены экспериментальными данными. Чем сквозь больший объем паров какого - либо элемента проходит непрерывное излучение, тем более четко выражена темная спектральная линия. Следовательно, тем большее количество раз было переизлучение, и наблюдателя достигла меньшая доля энергии в этом диапазоне длин волн.

     Далее, если мы свой спектроскоп поместим в противоположную сторону /см. рис. Зб/, то мы увидим в том же самом сосуде спектр испускания элемента, а не спектр поглощения. То есть картина резко изменится, хотя процессы будут происходить те же самые. Но в первом случае мы наблюдали спектр переизлучения на фоне яркого источника, а во втором случае наблюдение велось на темном фоне. С этим явлением мы не раз встречались в повседневной жизни.

Один и тот же серый цвет кажется нам темным на белом фоне и кажется светлым на черном фоне.

А теперь представим себе, что А.Ч.тело полностью окружено исследуемым газом. Какую энергию будет излучать А.Ч.тело в окружающее пространство той длины волны, которую будет переизлучать окружающий А.Ч.тело газ? Обозначим всю энергию в единицу времени для данной длины волны, излученную А.Ч.телом_. Если при прохождении сквозь пары или газ исследуемого элемента переизлучение будет происходить в среднем один раз, то наблюдатель зарегистрирует энергию

    См. рис. 3а

      Если переизлучение будет происходить в среднем два раза, то наблюдатель зарегистрирует энергию                         

      Если переизлучение будет  раз, то наблюдатель зарегистрирует энергию:

       /1/
Где - энергия, излучаемая А.Ч. телом в окружающее пространство в единицу времени, той длины волны, которую переизлучает окружающий А.Ч. тело газ.

- энергия, которую зарегистрирует наблюдатель в единицу времени после переизлучения квантов окружающим А.Ч. тело газом.

-  среднее количество переизлучений квантов в среде ок­ружающего А.Ч. тело газа.

      Глядя на формулу /1/, можно сказать, что сколь велика бы  ни была излученная А.Ч. телом энергия исследуемой длины волны, при бесконечном числе переизлучений наблюдатель зарегистрирует очень малую часть энергии от  первоначально излученной. Следовательно, если

     , то

 

Примечание автора.

Читатель может мне возразить, что такого газа в природе не существует. Но А.Ч. тела в природе также не существует, а изучению свойств его излучения в физике посвящен целый раздел. Так что, прочтя до конца теоретические выкладки излучения А.Ч. тела в среде А.Пп.газа, уважаемый читатель убедится, что эти выкладки представляют собой не меньшую научную ценность.