В этом разделе мы рассмотрим явления, связанные с взаимодействием света i с веществом: тепловое излучение, фотоэффект и эффект Комптона.

Закономерности этих явлений хорошо объясняются только на основе квантовых представлений, т.е. в предположении, что свет – это частицы (кванты, фотоны).

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

При переходе электрона в возбужденном атоме на более низкий энергетический уровень атом излучает квант энергии  электромагнитное излучение с определенной длиной волны. Если вещество представляет собой разреженный газ, в котором атомы практический не взаимодействуют друг с другом, то излучение состоит из определенного набора волн. Разлагая излучение разреженного газа в спектр, мы будем наблюдать отдельные линии (линейчатый спектр ). Если газ образуют молекулы, которые вращаются, а атомы в них совершают колебания, то изменения в этих движениях (переходы) также сопровождаются излучением электромагнитных волн определенных частот. Так как при таких переходах энергия меняется значительно меньше, чем при электронных, линии в спектре будут располагаться более тесно, образуя полосы (полосатые спектры ). Жидкости, в которых имеется сильное взаимодействие молекул между собой, также дают полосатые спектры излучения.

Излучение твердого тела дает сплошной спектр . Твердое тело можно представить себе как множество осцилляторов (излучателей), колеблющихся с самыми разнообразными частотами. Молекулыосцилляторы находятся в непрерывном тепловом движении. Взаимодействуя друг с другом, они изменяют свои скорости, вследствие чего происходит излучение электромагнитных волн всевозможных частот. При температурах свыше 700 о С излучение становится видимым («красное каление»), при более высоких температурах наблюдается «белое каление

Излучение электромагнитных волн, происходящее за счет энергии теплового движения молекул, называют тепловым излучением . Если излучение находится в равновесии с излучающим телом, то излучение называют равновесным тепловым излучением. ii

Рассмотрим физические величины, характеризующие тепловое излучение. При этом мы не будем касаться углового распределения излучения, т.к. оно представляет чисто технический интерес при конструировании источников света.

Интегральные характеристики :

W (Дж)		энергия , излучаемая по всем длинам волн во всех направлениях
Дж/с = Вт		поток излучаемой энергии или мощность излучения  по смыслу это энергия, излучаемая в единицу времени
	Дж/(с.м 2) = =Вт/м 2	энергетическая (интегральная) светимость – это энергия, излучаемая в единицу времени с единичной площади по всем длинам волн iii

В спектре излучения твердого тела на разные длины волн приходится различная энергия, поэтому вводятся спектральные характеристики , учитывающие распределение излучаемой энергии по различным длинам волн:

Дж/(с.м 2 .м) =Вт/м 3		излучательная способность (лучеиспускательная способность, спектральная плотность потока излучения)  это энергия, излучаемая в единицу времени единицей площади в единичном интервале длин волн ( - длина волны излучения)
		в единичном интервале частот ( - частота излучения)
		поглощательная способность (коэффициент поглощения)  это отношение поглощенного к падающему потоков, взятых в узком интервале длин волн вблизи данной длины волны iv
		отражательная способность (коэффициент отражения)  это отношение отраженного к падающему потоков, взятых в узком интервале длин волн вблизи данной длины волны
	соотношение между коэффициентами отражения и поглощения, следует из закона сохранения энергии

Энергетическая светимость R зависит только от температуры тела R = R (Т) , спектральные характеристики излучения  r , а и  зависят как от температуры, так и от длины волны света  : r = r ( ,Т ), а = а ( ,Т ) и  =  ( ,Т ).

		связь между излучательной способностью и энергетической светимостью в дифференциальной и интегральной формах для длин волн и частот	с – скорость света в вакууме


Если в каких-либо формулах мы хотим перейти от  к  (и наоборот), следует приравнивать общее количество энергии, излученной в интервалах d  и d  :

dR=r   d  = r   d 

r  = r  (d  / d  )

При исследовании теплового излучения используется научная абстракция  абсолютно черное тело (АЧТ) – это тело, которое поглощает всё, падающее на него излучение, т.е. коэффициент поглощения АЧТ а АЧТ = 1. Реальной моделью АЧТ может служить замкнутая полость с небольшим отверстием, цилиндр с перегородками, конус (см. рис.). На конусной установке можно получить коэффициент поглощения 0,99999. Если поддерживать температуру указанных тел постоянной, то из отверстия будет выходить электромагнитное излучение всевозможных длин волн, близкое к равновесному излучению АЧТ.

Еще одной моделью излучения реальных тел является серое тело – это тело, у которого коэффициент поглощения меньше единицы и при данной температуре является постоянным для всех длин волн. Кривая излучения серого тела повторяет ход кривой излучения АЧТ (см. дальше) при той же температуре, но идет ниже.

		Закон Кирхгофа : «Для всех тел отношение излучательной способности к его поглощательной способности при данной температуре Т и данной длине волны  является постоянным и равным излучательной способности АЧТ при тех же Т и  ». Следствия из закона Кирхгофа :
	Все реальные тела при данной температуре излучают всегда меньше, чем АЧТ; r = r o  a  r o , т.к. для всех тел a  1
	Если тело не поглощает каких-либо волн, оно и не будет их излучать, поэтому спектры излучения и спектры поглощения идентичны, но как бы перевернуты (максимум на одном соответствует минимуму на другом)
	Тело, которое сильно поглощает, должно и сильно излучать. Если на пластине на белом фоне нарисовать черный крест, то при нагревании крест будет светиться более интенсивно, чем фон. 1 .

Электромагнитное излучение с энергией до 250 кэВ принято называть рентгеновскими лучами , а свыше этого – g-излучением . Излучение радиоактивных изотопов, независимо от энергии, принято обозначать как
g- лучи .

Все остальные виды ИИ имеют корпускулярную природу, представляя собой элементарные частицы. Механизм передачи энергии всех заряжённых частиц примерно один и тот же. При прохождении через вещество заряжённая частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение атомов до тех пор, пока общий запас энергии уменьшится до такой степени, что частица теряет ионизирующую способность и обычно захватывается каким-нибудь атомом с образованием иона.

Энергию, теряемую заряжённой частицей на единице её пробега, называют линейной потерей энергии. В зависимости от этого все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие . К редкоионизирующим относят все виды электромагнитных излучений и электроны, а к плотноионизирующим – протоны, дейтроны и более тяжёлые частицы.

Характер испускаемого излучения был изучен по поглощению его в веществе и по отклонению этих лучей в магнитном и электрическом поле.
В 1899 г. Э. Резерфорд, исследуя поведение радиоактивного излучения в электрическом поле, обнаружил, что оно состоит из двух компонент (см. рис. 11).

Рис. 11. Опыт Резерфорда.

Первая из них незначительно отклоняется в сторону отрицательно заряженной пластины, а другая сильно отклоняется к положительно заряженной пластине. Эти компоненты он назвал альфа-лучами и бета-лучами. Так как большая часть пространства в атоме пуста, быстрые a-частицы могут почти свободно проникать через значительные слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов.

Наблюдавшееся Резерфордом рассеяние заряженных частиц и объясняется таким распределением зарядов в атоме При столкновениях с отдельными электронами a-частицы испытывают отклонения на очень небольшие углы, так как масса электрона мала. Однако в тех редких случаях, когда она пролетает на близком расстоянии от одного из атомных ядер, под действием сильного электрического поля ядра может произойти отклонение на большой угол.

Через год П. Виллард установил, что в состав радиоактивного излучения входит ещё и третья компонента: гамма-лучи, которые не отклоняются ни магнитным, ни электрическим полем. Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Пока не была выяснена природа этих излучений, лучи, отклонявшиеся к отрицательно заряженной пластинке, условно были названы альфа-частицами , отклонявшиеся к положительно заряженной пластинке – бета-лучами , а лучи, которые совсем не отклонялись, были названы гамма-лучами (рис. 12.).

Рис. 12. Компоненты радиоактивного излучения.

К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат,
Ф – фотопластинка, – магнитное поле.

Альфа-частицы (a) представляют собой ядра атома гелия и состоят из двух протонов и двух нейтронов. Они имеют двойной положительный заряд и относительно большую массу, равную 4,0003 а.е.м.

Для каждого изотопа энергия альфа- частиц постоянна. Пробег альфа- частиц в воздухе составляет в зависимости от энергии 2–10 см, в биологических тканях – несколько десятков микрон. Так как альфа-частицы массивны и обладают большой энергией, путь их в веществе прямолинеен; они вызывают сильно выраженные эффекты ионизации и флуоресценции. Альфа-излучение при попадании в организм человека крайне опасны, так как вся энергия a-частиц передаётся клеткам организма.

Бета-излучение (b) представляет поток частиц (электроны или позитроны), испускаемых ядрами при бета-распаде. Физическая характеристика электронов ядерного происхождения такая же, как у электронов атомной оболочки. Бета-частицы обозначаются символом b – (электронный распад), b + (позитронный распад).

В отличие от альфа-частиц бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии. Это объясняется тем, что при бета-распаде из атомного ядра вылетают одновременно с бета-частицей и нейтрино. Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется между бета-частицей и нейтрино. Это электронейтральная частица, которая движется со скоростью света, не имеет массы покоя и обладает большой проникающей способностью; вследствие чего её трудно зарегистрировать. Если b-частица вылетает с большим запасом энергии, то нейтрино испускается с малым уровнем энергии и наоборот. Величина пробега бета-частиц в одной и той же среде не одинакова. Путь в веществе таких частиц извилист, они легко меняют направление движения под действием электрических полей встречных атомов. Бета- частицы обладают меньшим эффектом ионизации, чем альфа- частицы. Пробег их в воздухе может составлять до 25 см, а в биологических тканях – до 1 см. Различные радиоактивные изотопы отличаются по энергии бета- частиц. Максимальная их энергия имеет широкие пределы от 0,015–0,05 МэВ (мягкое бета-излучение) до 3–12 МэВ (жёсткое бета-излучение).

Гамма-излучение (g) представляет собой поток электромагнитных волн; это как радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, а также рентгеновское излучение.

Рис. 13. Схема образования гамма-излучения

Различные виды излучения отличаются условиями образования и определенными свойствами. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых электронов в электрическом поле ядра атомов вещества (тормозное рентгеновское излучение) или при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул (характеристическое рентгеновское излучение). При различных переходах из возбуждённого состояния в невозбуждённое может происходить испускание видимого света, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. Гамма- кванты испускаются ядрами атомов при альфа- и бета-распаде природных и искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением. Гамма- кванты лишены массы покоя, не имеют заряда и поэтому не отклоняются в электрическом и магнитном поле. В веществе и в вакууме гамма- излучение распространяется прямолинейно и равномерно во все направления. Энергия гамма-кванта пропорциональна частоте колебаний и определяется по формуле:

Еg = h × ν,(1.16)

где h – универсальная постоянная Планка (4,13 × 10 –21 МэВ/с); n – частота колебаний в секунду.

Частота колебаний связана с длиной волны. Чем больше длина волны, тем меньше частота колебаний и наоборот, т.е. частота обратно пропорциональна длине волны. Энергия гамма- излучения колеблется от нескольких кэВ до 2–3 МэВ. В состав потока гамма- излучения чаще входят кванты различных величин энергии. Однако набор их постоянен для каждого изотопа.

Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое ионизирующее действие, но обладают большой проникающей способностью. Путь пробега в воздухе достигает 100–150 м (см. рис. 14).

Рис. 14. Проникающая способность альфа-, бета- и гамма-частиц.

Нейтроны. В отличие от заряженных частиц нейтроны не несут электрического заряда, что позволяет им беспрепятственно проникать вглубь атомов; сталкиваясь с последними, они либо поглощаются им, либо отталкиваются. В результате упруго рассеивания образуются сильно ионизирующие протоны большой энергии, а при поглощении нейтронов атомными ядрами из последних вылета6ют протоны, альфа- частицы и g- кванты, которые тоже производят ионизацию. Таким образом, при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой опосредованно вторичными частицами или g- квантами. Вклад того или иного ядерного взаимодействия нейтронов зависит от состава облучаемого вещества и от их энергии. По величине энергии различают четыре вида нейтронов: быстрые, промежуточные, медленные и тепловые (см. рис. 15).

Нейтроны относят к плотноионизирующим излучениям, так как пробег, образуемых ими протонов отдачи невелик. Однако возникновение их происходит на большой глубине из-за высокой проникающей способности нейтронов.

Отрицательные p-мезоны – отрицательно заряженные частицы с массой, в 273 раза превышающей массу электрона. Получают их искусственными методами. Эти частицы обладают уникальной способностью взаимодействия с ядрами атомов. Отрицательные пи- мезоны с энергиями порядка 25–100 МэВ проходят весь путь в веществе до полного торможения почти без ядерных взаимодействий. В конце пробега они со 100%-ной вероятностью захватываются ядрами атомов ткани.

Рис. 15. Виды нейтронов .

1.3.2. Взаимодействие радиоактивных излучений
с веществом

Первая, чисто физическая стадия взаимодействия, протекающая за миллионные доли секунды, состоит в передачи части энергии фотона одному из электронов атома с последующей ионизацией и возбуждением. Ионам и возбуждённым атомам, обладающим избыточной энергией, в силу этого свойственна повышенная химическая реактивность, они способны вступать в такие реакции, которые не возможны для обычных, невозбуждённых атомов.

Вторая, физико-химическая , стадия протекает уже в зависимости от состава и строения облучаемого вещества. Принципиальное значение имеет наличие воды и кислорода. Если их нет, то возможности химического взаимодействия активированных радиацией атомов ограничены, локализованы.

Взаимодействие альфа- и бета-частиц . Заряженные частицы, проходя через вещество, постепенно теряют энергию в результате взаимодействия с электронами атомов, а также с электрическим полем ядра. Кинетическая энергия a- и b-частиц растрачивается на ионизацию, т. е. на отрыв электронов от атома, и на возбуждение атомов и молекул. Взаимодействую с электрическим полем ядра, заряжённая частица тормозиться и меняет направление своего движения, при этом происходит испускание излучения, которое по своей характеристике близко к рентгеновскому и называется тормозным рентгеновским излучением.

Величиной, определяющей энергетическую сторону процесса ионизации, служит работа ионизации – средняя работа, затрачиваемая на образование одной пары ионов. Заряжённые частицы, различные по природе, но с одинаковой энергией, образуют практически одинаковое число пар ионов. Однако плотность ионизации , т.е. число пар ионов на единицу пути частицы в веществе, будет различна. Плотность ионизации возрастает с увеличением заряда частицы и с уменьшением её скорости.

Проходя через вещество, заряжённые частицы постепенно теряют энергию и скорость, поэтому плотность ионизации вдоль пути частицы возрастает и достигает величины в конце пути. В конце пробега a-частица присоединяет к себе два электрона и превращается в атом гелия, а
b-частица (электрон) может включиться в один из атомов среды.

Путь, проходимый a- или b-частицей в веществе, на протяжении которого она производит ионизацию, называется пробегом частицы . Пробег альфа-частицы в воздухе может достигать 10 см, а в мягкой биологической ткани – несколько десятков микрон. Пробег бета-частиц в воздухе достигает 25 м, а в тканях до 1 см.

Альфа- частицы распространяются в веществе прямолинейно и изменяют направление движения только при соударениях с ядрами встречных атомов. Бета-частицы, имея малую массу, большую скорость и отрицательный заряд, значительно отклоняются от первоначального направления в результате соударения с орбитальными электронами и ядрами встречных атомов (эффект рассеяния). Претерпевая многократное рассеяние, бета-частицы могут даже двигаться в обратном направлении – обратное рассеяние. Вследствие значительного рассеяния b- частиц истинная длина пути в веществе в 1,5–4 раза больше их пробега. Еще одно различие в прохождении a- и b-частиц через вещество. Так как все альфа-частицы, испускаемые изотопом, обладают относительно равной энергией и движутся в веществе прямолинейно, то их число в пучке, проходящем через единицу поверхности поглотителя, резко падает до нуля лишь в конце пробега. Спектр же бета-частиц непрерывен, поэтому с увеличением толщины поглотителя число бета-частиц в пучке, проходящем через единицу поверхности, уменьшается постепенно.

Ослабление интенсивности потока b-частиц в веществе приближёно подчиняется экспоненциальной зависимости:

N = N 0 × e – m a , (1.17)

где N – число бета-частиц, прошедших слой поглотителя d см, N 0 – количество бета-частиц, поступающих за 1 с на площадку поглотителя, равной 1 см 2 ; e – основание натуральных логарифмов; m – линейный коэффициент ослабления излучения, характеризующий относительное ослабление интенсивности потока b-частиц после прохождения поглотителя толщиной в 1 см.

Взаимодействие гамма-излучения с веществом . При радиоактивном распаде ядра испускаются g-кванты с различной энергией. При прохождении через вещество они теряют энергию практически за счёт трёх эффектов: фотоэлектрического поглощения, комптоновского рассеяния и образования электронно-позитронных пар.

При фотоэлектрическом эффекте энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, в результате появляются свободные электроны, обладающие определенной кинетической энергией, величина которой равна энергии кванта излучения за вычетом работы выхода данного электрона из атома. Свободный электрон, ассоциируясь с одним из нейтральных атомов, порождает отрицательный ион. Фотоэффект характерен только для длинноволнового рентгеновского излучения. Его вероятность зависит от атомного номера и пропорциональна Z 5 . Процесс фотоэффекта невозможен на слабосвязанных и свободных электронах (не связанных с ядром), так как они не могут поглощать g-кванты.

При комптоновском эффекте g-кванты, сталкиваясь с электронами, передают им не всю свою энергию, а только часть её и после соударения изменяют своё направление движения. Образовавшиеся вследствие соударения с g-квантами электроны приобретают значительную кинетическую энергию и растрачивают её на ионизацию вещества (вторичная ионизация). Т.о. в результате комптонэффекта интенсивность гамма-излучения ослабляется за счёт того, что g-кванты, взаимодействуя с электронами среды, рассеиваются в различных направлениях и уходят за пределы первичного пучка, а также за счёт передачи электронам части своей энергии.

Образование пар . Некоторые g-кванты с энергией не ниже 1,02 МэВ, проходя через вещество, превращаются под действием сильного электрического поля вблизи ядра в пару «электрон-позитрон». В данном случае происходит переход одной формы материи – гамма-излучения в другую – в частицы вещества. Образование такой пары частиц возможно только при энергиях квантов, не меньших, чем энергия, эквивалентная массе обоих частиц – электрона и позитрона.

Образовавшаяся электронно-позитронная пара в дальнейшем исчезает, превращаясь в два вторичных g-кванта с энергией, равной энергетическому эквиваленту массы покою частиц – 0,511 МэВ. Вероятность образования пар увеличивается я увеличением энергии g-квантов и плотности поглотителя.

Закон ослабления гамма-излучения веществом существенно отличается от закона ослабления a- и b-частиц. Пучок g-лучей поглощается непрерывно с увеличением толщины поглотителя. Т.е. какой бы ни была толщина слоя вещества нельзя поглотить полностью поток g-лучей, а можно только ослабить его интенсивность на любое заданное число раз. В этом существенное различие характера ослабления g-лучей от ослабления a- и b-частиц, для которых всегда можно подобрать такой слой вещества, в котором полностью поглощается поток a- или b-частиц.

Закон ослабления пучка g-лучей имеет следующий вид:

I = I 0 × e – m a , (1.18)

где I – интенсивность пучка g-лучей, прошедших слой поглотителя; I 0 – интенсивность падающего пучка гамма-лучей; m – линейный коэффициент ослабления, равный относительному уменьшению интенсивности пучка гамма-лучей после прохождения слоя поглотителя толщенной 1 см. Линейный коэффициент ослабления является суммарным коэффициентом, который учитывает ослабление пучка гамма-лучей за счёт всех трёх процессов: фотоэффекта (t ф), комптон-эффекта (t к) и образования пар (t п):

m = t ф + t к + t п (1.19)

Раздел 2 (лекции № 3–4)

Некоторые физические величины, относящиеся к микрообъектам, изменяются не непрерывно, а скачкообразно. О величинах, которые могут принимать только вполне определенные, то есть дискретные значения (латинское "дискретус" означает разделенный, прерывистый), говорят, что они квантуются. В 1900 г. немецкий физик М. Планк, изучавший тепловое излучение твердых тел, пришел к выводу, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций - квантов - энергии. Значение одного кванта энергии равно: ΔE = h ν,

где ΔE - энергия кванта, Дж; ν - частота, с -1 ; h - постоянная Планка (одна из фундаментальных постоянных природы), равная 6,626·10 −34 Дж·с. Кванты энергии впоследствии назвали фотонами . Идея о квантовании энергии позволила объяснить происхождение линейчатых атомных спектров, состоящих из набора линий, объединенных в серии. Еще в 1885 г. швейцарский физик и математик И.Я. Бальмер установил, что длины волн, соответствующие определенным линиям в спектре атомов водорода, можно выразить как ряд целых чисел. Предложенное им уравнение, позднее модифицированное шведским физиком Ю.Р. Ридбергом, имеет вид:

1 / λ = R (1 / n 1 2 − 1 / n 2 2),

где λ - длина волны, см; R - постоянная Ридберга для атома водорода, равная 1,097373·10 5 см −1 , n 1 и n 2 - целые числа, причем n 1 < n 2 .

Первая квантовая теория строения атома была предложена Н. Бором. Он считал, что в изолированном атоме электроны двигаются по круговым стационарным орбитам, находясь на которых, они не излучают и не поглощают энергию. Каждой такой орбите отвечает дискретное значение энергии.
Переход электрона из одного стационарного состояния в другое сопровождается излучением кванта электромагнитного излучения, частота которого равна

ν = ΔE / h ,

где ΔE - разность энергий начального и конечного состояний электрона, h - постоянная Планка.

Дискретность энергии электрона является важнейшим принципом квантовой механики. Электроны в атоме могут иметь лишь строго определенные значения энергии. Им разрешен переход с одного уровня энергии на другой, а промежуточные состояния запрещены.

Квант - неделимая порция какой-либо величины в физике. Фотон - квант электромагнитного поля;

Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Ско́рость све́та - абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это внесистемная единица измерения энергии. От энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить определенное воздействие на вещество. Многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией - если отдельные кванты несут меньшую энергию, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать надпороговый процесс. Если световой пучок падает на поверхность, разделяющую две прозрачные среды разной оптической плотности, например воздух и воду, то часть света отражается от этой поверхности, а другая часть - проникает во вторую среду. При переходе из одной среды в другую луч света изменяет направление на границе этих сред. Это явление называется

преломлением света. Опыты показывают, что при одном и том же угле падения угол преломления тем меньше, чем плотнее в оптическом отношении среда, в которую проникает луч. Если свет идёт из среды более оптически плотной в среду менее плотную, то угол преломления луча больше угла падения. 1 . На границе раздела двух сред различной оптической плотности луч света при переходе из одной среды в другую меняет своё направление. 2. При переходе луча света в среду с большей оптической плотностью угол преломления меньше угла падения; при переходе луча света из оптически более плотной среды в среду менее плотную угол преломления больше угла падения. Преломление света сопровождается отражением, причём с увеличением угла падения яркость отражённого пучка возрастает, а преломлённого ослабевает. Чем более плотная среда тем меньше скорость света, чем менее плотная среда тем больше скорость света. Максимальное значение скорости света (в вакууме 3*10 в 8 степени м/с)

3.7 Спектр. Условия образования спектров излучения. Характер распределения энергии в спектре: непрерывные, линейчатые, полосатые спектры и системы их излучающие

Спектр - распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Графическое представление такого распределения называется спектральной диаграммой. Обычно под спектром подразумевается электромагнитный спектр - спектр частот электромагнитного излучения. В научный обиход термин спектр ввёл Ньютон в 1671-1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, которая получается при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму. Непрерывные спектры , как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые спектры. Линейчатый спектр. это спектр, испускаемый газами, парами малой плотности в атомарном состоянии. Состоит из отдельных линий разного цвета (длины волны, частоты), имеющих разные расположения. Каждый атом излучает набор электромагнитных волн определенных частот. Поэтому каждый химический элемент имеет свой спектр. Каждая линия имеет конечную ширину Это самый фундаментальный, основной тип спектров. Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн. Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр. Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Полосатые спектры . Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. Каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Распределение энергии в спектре. Энергия теплового излучения с непрерывным спектром распределяется неравномерно по разным частям спектра. Характер этого распределения зависит как от температуры, так и от природы излучающего тела. Эмиссионный спектр, спектр излучения, спектр испускания - относительная интенсивность электромагнитного излучения объекта исследования по шкале частот. Обычно изучается излучение в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне от сильно нагретого вещества. Спектр излучения вещества представляют либо в виде горизонтальной цветовой полосы - результат расщепления света от объекта призмой - либо в виде графика относительной интенсивности, либо в виде таблицы. Нагретое вещество излучает электромагнитные волны (фотоны). Спектр этого излучения на фоне спектра излучения абсолютно чёрного тела, при достаточной температуре, на определённых частотах имеет ярко выраженные увеличения интенсивности. Причина повышения интенсивности излучения - в электронах, находящихся в условиях квантования энергии. Такие условия возникают внутри атома, в молекулах и кристаллах. Возбуждённые электроны переходят из состояния бо́льшей энергии в состояние меньшей энергии с испусканием фотона. Разница энергий уровней определяет энергию испущенного фотона, и следовательно его частоту в соответствии с формулой: Е=hv, где Е – энергия фотона, h- постоянная Планка, v –частота.

Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия

В физике микромира все частицы делятся на два класса: фермионы и бозоны . Фермионы - частицы с полуцелыми значениями спина, бозоны - частицы с целыми значениями спина. Спином называется минимальное значение момента количества движения, которое может иметь частица. Спины и другие моменты импульсов измеряются в единицах . Для частиц с ненулевой массой спин равен моменту импульса частицы в системе координат, связанной с ней самой. Значение J спина частиц, указываемое в таблицах, представляет собой максимальное значение проекции вектора момента количества движения на выделенную ось, деленное на .
Фундаментальными называют частицы, которые по современным представлениям не имеют внутренней структуры. В природе существует 12 фундаментальных фермионов (со спином 1/2 в единицах ) приведены в табл.1. Последний столбец табл.1 – электрические заряды фундаментальных фермионов в единицах величины заряда электрона e.

Фундаментальные фермионы
Взаимодействия				Поколения			Заряд Q/e
			лептоны	ν е	ν μ	ν τ	0
				e	μ	τ	-1
			кварки	u	c	t	+2/3
				d	s	b	-1/3

12 фундаментальным фермионам соответствуют 12 антифермионов.
Взаимодействие частиц осуществляется за счет 4 типов взаимодействий: сильного , электромагнитного , слабого и гравитационного . Квантами соответствующих полей являются фундаментальные бозоны : глюоны; гамма-квант; W + , W - , Z -бозоны и гравитон .

Фундаментальные взаимодействия
Взаимодействие	Квант поля	Радиус, см	Порядок константы	Пример проявления
Сильное	глюон	10 -13	1	ядро, адроны
Электромагнитн.	γ	∞	10 -2	атом, гамма-переходы
Слабое	W,Z	10 -16	10 -6	слабые распады частиц, -распад
Гравитационное	гравитон	∞	10 -40	Сила тяжести

Квантами сильного взаимодействия являются нейтральные безмассовые глюоны . Фундаментальные фермионы, между которыми реализуется сильное взаимодействие – кварки – характеризуются квантовым числом “цвет”, которое может принимать 3 значения. Глюоны имеют 8 разновидностей “цветных” зарядов.
Квантами электромагнитного взаимодействия являются гамма-кванты . γ-кванты имеют нулевую массу покоя. В электромагнитных взаимодействиях участвуют фундаментальные частицы, занимающие последние три строки в таблице 1, т.е. заряженные лептоны и кварки. Поскольку кварки в свободном состоянии не наблюдаются, а входят в состав адронов, т.е. барионов и мезонов, все адроны, наряду с сильными взаимодействиями, участвуют и в электромагнитных взаимодействиях.
Квантами слабого взаимодействия , в котором принимают участие все лептоны и все кварки, являются W и Z бозоны . Существуют как положительные W + бозоны, так и отрицательные W - ; Z-бозоны электрически нейтральны. Массы W и Z бозонов велики – больше 80 ГэВ/с 2 . Следствием больших масс промежуточных бозонов слабого взаимодействия является малая – по сравнению с электромагнитной константой – константа слабого взаимодействия. Нейтрино участвует только в слабых взаимодействиях.
Глюоны, γ-квант, W и Z бозоны являются фундаментальными бозонами . Спины всех фундаментальных бозонов равны 1.
Гравитационные взаимодействия практически не проявляются в физике частиц. например, интенсивность гравитационного взаимодействия двух протонов составляет ~10 -38 от интенсивности их электромагнитного взаимодействия.
Разделение табл. 1 на поколения оправдано тем фактом, что окружающий нас мир практически полностью построен из частиц т.н. первого поколения (наименее массивных) . Частицы второго и, тем более, третьего поколений могут быть обнаружены только при высоких энергиях взаимодействия. Например, t-кварк открыт на ускорителе-коллайдере FNAL, при столкновении протонов и антипротонов с энергиями 1000 ГэВ.
Первые две строки в таблице 5.1 занимают лептоны - фермионы, не принимающие участия в сильных взаимодействиях. Лептонами являются электрически нейтральные нейтрино (и антинейтрино) трех типов - частицы с массами, много меньшими, чем масса электрона. Нейтрино участвуют лишь в слабых взаимодействиях. Вторую строку занимают электрон, мюон и таон - заряженные бесструктурные частицы, участвующие как в слабом, так и электромагнитном взаимодействиях.
Третья и четвертая строки содержат 6 кварков (q) - бесструктурных частиц с дробными значениями электрического заряда. В свободном состоянии эти частицы не наблюдаются, они входят в состав наблюдаемых частиц - адронов .
Явления природы, проявляющиеся при энергиях частиц <100 МэВ, могут быть практически полностью объяснены взаимодействием фундаментальных частиц 1-го поколения. 2-е поколение фундаментальных частиц проявляется при энергиях порядка сотен МэВ. Для исследования 3-го поколения фундаментальных частиц строят ускорители высоких энергий (E > 100 ГэВ).

Длины волн и энергии частиц

Объекты, которые изучает физика ядра и частиц («субатомная физика») имеют гораздо меньшие характерные размеры, чем атомы и молекулы. (Этот факт также является следствием того, что структура объектов субатомной физики определена сильными взаимодействиями)
Изучение структуры любого тела требует «микроскопов» с длинами волн, меньшими, чем размеры исследуемых объектов.
Длина волны как электромагнитного излучения, так и любой частицы связана с импульсом известным соотношением (для частиц с ненулевой массой покоя введенным де-Бройлем):

где p - импульс частицы, h - константа Планка.
Характерные линейные размеры даже самых «крупных» объектов субатомной физики – атомных ядер с большим количеством нуклонов А - имеют порядок около 10 -12 см. Экспериментальное исследование объектов с такими размерами требует создания пучков частиц больших энергий.
Одной из целей данного семинара является расчет энергий ускоренных частиц, которые можно использовать для исследования структуры ядер и нуклонов. Прежде, чем приступить к таким расчетам, необходимо ознакомиться с основными константами, которые будут часто употребляться в дальнейших расчетах, а также с единицами измерения физических величин, принятыми в субатомной физике.

Единицы субатомной физики

Энергия - 1 МэВ =1 МэВ = 10 6 эВ = 10 -3 ГэВ = 1.6 . 10 -13 Дж.
Масса - 1 МэВ/c 2 и 1u = M ат (12 С)/12 = 1.66 . 10 -24 г.
Длина - 1Фм =1 fm= 10 -13 см =10 -15 м.

Важные формулы релятивистской физики

В субатомной физике, особенно в физике высоких энергий, в настоящее время все более широко используется система единиц (система Хевисайда ) , в которой ћ = 1 и с = 1. В этой системе формулы релятивистской физики имеют более простую и удобную форму.