Елементи квантової фізики. Принцип невизначеності. Взаємодія світла з речовиною. Поглинання та випромінювання світла атомами. Постулати Бора.

1. Поширення світла в речовині

Поширення світла в середовищі за класичною теорією відбувається так: падаюче випромінювання збуджує атоми середовища, викликаючи вторинне вимушене випромінювання осциляторів атома, якими є валентні (зовнішні) електрони. Ці електрони ще називаються оптичними. Вторинне випромінювання оптичних електронів когерентне між собою і з первинним випромінюванням. При накладанні вони інтерферують, утворюючи прохідну хвилю, яка розповсюджується в напрямку первинної, а її фазова швидкість залежить від частоти, яка може бути як більше так і менше величини фазової швидкості первинної. При проходженні світла в оптично неоднорідному середовищі виникає розсіювання світла, як результат накладання первинного та вторинного випромінювань.

 

Поглинання світла

При проходженні світла через середовище частина його енергії переходить у внутрішню енергію (нагрівання тіла), або енергію вторинного випромінювання (фотолюмінісценція), що має інший спектральний склад. Це явище називається поглинанням світла і воно описується законом Бугера-Ламберта

, (1)

де ¾ коефіцієнт поглинання, І₀ ¾ інтенсивність падаючого випромінювання. Для розчиненої речовини з концентрацією С коефіцієнт поглинання пропорційний концентрації .

 

Розсіювання світла

Явище зміни напрямку поширення світла у середовищі називається розсіюванням світла. Це явище виникає при збудженні дипольних моментів оптичних електронів атомів, молекул або іонів оптично неоднорідних середовищ падаючим випромінюванням.

Розсіювання в каламутних середовищах на частинках, розміри яких менше довжини хвилі l, називається розсіюванням Тиндаля. При проходженні через певну товщу такої речовини в спектрі розсіювання переважає довгохвильова складова і речовина здається червонуватою. Розсіювання Тиндаля описується законом Релея

, (1)

а залежність інтенсивності розсіяного світла І від кута розсіювання J (індикатриса розсіювання) має вигляд

, (2)

де ¾ інтенсивність світла, розсіяного під кутом , тобто ^ напрямку падаючого променя. Дисперсія світла

Дисперсія світла — залежність показника заломлення (або діелектричної проникності) середовища від частоти світла. Внаслідок зміни показника заломлення змінюється також довжина хвилі.

де - хвильове число, - довжина хвилі, - показник заломлення, - циклічна частота, c - швидкість світла.

Відношення називають фазовою швидкістю.

 

Поглинання і випромінювання світла:

Виходячи з постулатів Бора, можна пояснити процес поглинання і випромінювання енергії атомами. Якщо атом поглинає енергію, то при цьому він переходить у збуджений стан. Його електрон може підніматися на вищу орбіту. Якщо існують вакансії для електрона ближче до ядра, то з часом електрон займає їх, переходячи на більш низький енергетичний рівень. Енергія, яка при цьому вивільняється, випромінюється атомом у вигляді кванта світла.

Бор сформулював такі твердження (постулати Бора).
1) В атомі існує набір стаціонарних (цілком певних радіусів для кожного атома) орбіт, по яких рух електронів не супроводжується зміною їх енергії;

Сили ядерного притягання і сили кулонівського відштовхування визначають радіус орбіти руху електрона. Стаціонарна орбіта – це рбіта енергетичного балансу для електрона, де сили зрівноважені. Перший постулат ще називають постулатом стаціонарних станів.

2) При переході електрона з одного стаціонарного стану на інший атоми випромінюють або поглинають кванти енергії електромагнітних хвиль певних частот

Е_n-E_k =hv,

Де Е_n,E_k – енергія атома в першому і другому стаціонарному станах.

Інакше кажучи, атом випромінює або поглинає квант електромагнітної енергії внаслідок перескакування електрона з однієї стаціонарної орбіти на іншу. Другий постулат Бора називають умовою частот, оскільки він визначає частоти фотонів можливого випромінювання атома. Згідно другого постулату, крім стаціонарного стану атом може мати і збуджений стан, який отримуємо внаслідок поглинання електроном кванту енергії. В збудженому стані електрон перебуває недовго. Повернутися на стаціонарну орбіту він може 2 шляхами: скинути зайву енергію у вигляді кванту або повернутися ступінчасто.
Хоча постулати Бора і не пояснили, чому електрони мають здатність до стаціонарного руху по кругових орбітах, все ж вони відіграли велику роль у подальшому розвитку теорії атома.