Elektromagnit nurlanish spektri

Электромагнит нурланиш спектри, унинг асосий катталиклари (тўлқин узунлиги, частотаси, тўлқин сони, нурланиш дастаси, интенсивлиги) ва ифодаланиши. Спек- трнинг ультрабинафша, кўринадиган ва инфрақизил соҳалари. Атомларнинг спектр- лари, Атомларнинг асосий ва қўзғатилган электрон ҳолатлари. Энергетик ўтишлар эҳтимоли ва қўзғатилган ҳолатларнинг яшаш даври. Спектрал чизиқлар, уларнинг спектрдаги ўрни, интенсивлиги, ярим кенглиги. Интенсивликнинг нурланувчи зарра- чалар сонига боғлиқлиги. Танлаш қоидалари. Молекулаларнинг спектрлари. Молеку- ланинг электрон, тебраниш ва айланиш энергиялари. Молекуляр спектрларнинг ўзига хослиги. Нур энергиясини монохроматлаш усуллари. Спектрал асбоблар, уларнинг дисперсияси, ажрата олиш қобилияти, ёруғлик кучи. Оптикавий материаллар. Электромагнит нурларни қабул этгичлар: фотопластинкалар, фотоэлементлар, фото кўпайтиргичлар, фотодиодлар, фото ва термоқаршиликлар.

25. SPEKTROSKOPIK ANALIZ USULLARI

1. 
   Elektromagnit nurlanish spektri. Spektroskopik analiz usullariga elektromagnit nurlarning tekshiriladigan modda bilan o’zaro ta’sirini o’rganishga asoslangan usullar kiradi. Elektromag- nit nurlarning modda bilan o’zaro ta’siri moddaning xossalarini o’zgartiradi, natijada, u nur chiqarishi, yutishi yoki sochishi mumkin. Bu o’zaro ta’sir tekshiriladigan moddaning xossalarini ifodalaydi- gan signallarning paydo bo’lish jarayoni, deb qaralishi mumkin. Sig- nalning chastotasi moddaning spetsifik xossalarini aks ettirsa, uning intensivligi moddaning miqdorini ifodalaydi.
   

Kimyoviy analiz uchun ishlatiladigan elektromagnit nur spektri keng chastotalar (10⁶10²⁰ Gts) va to’lqin uzunliklar (10²10^-12 m) oralig’ini o’z ichiga oladi. Unga radioto’lqin (10⁶10⁸ Gts va 10²1 m), issiqlikdan nurlanish, ultrabinafsha, ko’rinadigan yorug’lik, infraqizil, rentgen (3·10¹⁷10²⁰ Gts va 2·10^-910^-12 sm) nurlari va boshqalar kiradi.

Elektromagnit nurlanishning nazariyasini 1865 yilda J.S. Mak- svell yaratgan, 1888 yilda esa bunday nurlanish G. Gerts tomonidan tajribada olingan. Radioto’lqin sohasidagi elektromagnit nurlanish makroskopik ob’ektlardan (antennalar, uzatgichlar) tarqatiladi va ular yordamida qabul qilinadi. Optikaviy (infraqizil, ko’rinadigan va ultrabinafsha) va rentgen sohalaridagi spektrlar modda energe- tik holatlaridagi o’zgarishlar tufayli hosil bo’ladi. Bunday nurla- nish chastotalar farqi kichik bo’lgan juda ko’p to’lqinlarning to’plamidan iborat. Shuning uchun ular bir xil fazalar nisbatlariga ega emas. Radioto’lqinli nurlarda interferentsiya kuzatiladi. Optik nurlanishda esa intenferentsiya hodisasi uni bir necha bo’lakka bo’lgandan so’ng kuzatiladi. Bu ikki soha orasidagi qarama–qarshilik lazer nurlari (optik soha) ixtiro (Basov, Proxorov – 1954 y., Shav- lav, Tauns – 1958 y., Meyman – 1960 y.) etilgach, bartaraf etildi. Mikrosistemalar lazer ta’siridan optik oraliqda kogerent (tutash- gan) nurlar chiqaradi. Bu esa elektromagnit nurlanishning birligini ko’rsatadi.

Elektromagnit nurlanish to’lqin va yorug’lik fotonlari xossalari- ga ega. Elektromagnit nurlanishning tarqalishini to’lqin shaklida tasavvur qilish qulay. Bu holda elektromagnit to’lqin tezlik, chastota, uzunlik va amplituda bilan tasvirlanadi. Elekromagnit nurlarning tarqalishi uchun (tovush to’lqinlaridan farqli ravishda) o’tkazish muhiti talab etilmaydi, ya’ni u vakuumda ham tarqalaveradi. Nurla- nish enrgiyasining yutilish va chiqarish hodisalarini tushuntirish uchun faqat to’lqin modeli etarli emas. Shuning uchun u to’lqin modeli bilan bir qatorda diskret zarrachalar dastasi – fotonlar shaklida ham tasvirlanadi. Fotonlar energiyasi nurlanishning chastotasiga mutanosibdir.

2. 
   Nurlanishning to’lqin xossasi. Elektromagnit nurlanish to’lqin tarqalishi shaklida qaralganda, uning yo’nalishi elektr va magnit vektorlari ko’rinishiida tasvirlanadi (25.1-chizma). Elektr maydon kuchlanganligining vektori muayyan payt kuchlanganlik qiymatiga mutanosib bo’ladi. 25.1-chizmadan ko’rinadiki, elektr may- don kuchlanganligining vaqt bo’yicha o’zgarish egri chizig’i sinusoidal
   

tuzilishga ega.





25.1-chizma. Monoxromatik nurlanish oqimining to’lqin uzunligi () va amplitu- dasi (a).

Elektr maydonining kuchi moddaning yutish, qaytarish, sindirish va o’tkazish kabi xossalari bilan belgilanadi. To’lqinning har bir navbatdagi maksimumining fazoda olingan nuqta orqali o’tishi uchun zarur bo’lgan vaqt nurlanish davri (T) deyiladi. Maydonning har bir sekunddagi tebranishlar soni chastota () deyiladi: q1G’T, Gts. Shuni ta’kidlash kerakki, chastota manbaga bog’liq bo’lib, nur tarqalayotgan muhitga bog’liq emas. To’lqinning tarqalish tezligi (_i) esa, aksincha, muhit va chastotaga bog’liq (i indeks tezlikning chastotaga bog’liqligini ko’rsatadi). To’lqinning ikkita qo’shni maksimumi yoki minimumi orasidagi masofa to’lqin uzunligi () deyiladi. To’lqin uzunligi, spektrning sohasiga ko’ra, turli birliklarda ifodalanishi mumkin. Masalan, rentgen va uzoq ultrabinafsha sohalarda uni angs- tremlarda (1 Eq10^-10 m), ko’rinadigan va ultra binafsha sohalarda nanometr (1 nmq10^-9 m), infraqizil sohada – mikrometr (1 mkmq10^-6 m) tarzida ifodalash qulaydir. To’lqin uzunligining chastotaga ko’paytmasi nurlanishning tezligini ifodalaydi _iq_i. Nurlanish- ning vakuumdagi tezligi (3·10⁸ mG’s) chastotaga bog’liq emas. Demak, vakuumda sq3·10⁸ mG’s. Boshqa muhitlarda elektromagnit nurla- nish maydoni muhitdagi elektronlar bilan to’qnashadi, oqibatda uning tezligi kamayadi. Nurlanishning havodagi tezligi uning vaku- umdagi tezligidan atigi 0,03 % kam bo’lganligi uchun amalda vakuum- dagi tezlikka teng, deb olinishi mumkin.

Elektromagnit nurlanishni izohlash uchun to’lqin soni ( ) tu- shunchasi ham ishlatiladi:  q1G’. To’lqin soni sm^-1 birlikda o’lchanadi va u 1 sm masofada joylashadigan to’lqinlar sonini ko’rsatadi. Har qanday nurlanish quvvat va intensivlik bilan tasvir- lanadi. Nurlanishning quvvati (W) berilgan yuzaga bir sekundda tu- shayotgan energiya oqimiga teng. Nurlanishning intensivligi (I) jism- ning burchak birligiga to’g’ri keladigan quvvatdir.

3. 
   Nurlanishning diskret xossalari. Nurlanishni muayyan energiyaga ega bo’lgan diskret zarrachalar dastasi (fotonlar yoki kvant- lar) sifatida ham qarash mumkin. Fotonning energiyasi nurlanish chastotasiga bog’liq: Eqh, bu erda h – Plank doimiysi (6,63·10^-34 J·s). Energiyani to’lqin uzunligi yoki to’lqin soni orqali quyidagicha
   

ifodalash mumkin: _{E } ^hc _{ hc} .



Ushbu tenglamadan ko’rinadiki, to’lqin soni  ham chastota singa- ri energiyaga mutanosib bog’langan. Elektromagnit nurlanishning spektri juda katta to’lqin uzunligi va sohasini o’z ichiga oladi. Ma- salan, rentgen nurlanishi (10^-10 m) fotonining energiyasi qizigan volfram simi chiqargan nurlanish (10^-6 m) energiyasidan taxminan o’n ming marta kattadir.

4. 
   Elektromagnit nurlanishning paydo bo’lishi. Har bir atom va molekula muayyan cheklangan sondagi diskret yoki kvantlangan energetik holatlarga ega bo’ladi. Moddalarning energiyasi eng kichik bo’lgan turg’un holatiga asosiy energetik holat deyiladi, uning ener- giyasi E_o deb belgilanadi. Agar atom yoki molekula (bundan keyin atom) etarli energiyaga ega bo’lgan biror zarracha bilan to’qnashsa, u qo’zg’atilgan (g’alayonlangan) energetik holatga o’tishi mumkin: AQhA^* yoki AQeA^* va AQA^QA^*, bu erda A^* – qo’zg’atilgan zarracha; e – elektron, A^Q – ionlashgan atom, h – chastotasi  bo’lgan fotonning energiyasi. Har qanday atomning bitta asosiy va bir nechta qo’zg’atilgan holatlari
   

– E₁, E₂, E₃, ··· bo’ladi. 25.2-chizmada atomlarning energetik holatlaridagi o’tishlar sxematik tarzda tasvirlangan. Odatda, atom- larni qo’zg’atilgan holatga o’tkazish uchun energiya manbalari sifatida alanga, elektr yoyi, tokning uchqun razryadi, elementar zarrachalar (elektron, proton, neytron va boshqalar) bilan bombardimon qilish, lazer nurlari va boshqalar ishlatiladi.

5. 
   Atomlarning spektrlari. Har bir atom muayyan kvantlarni- gina (h) yuta va chiqara oladi. Shunga ko’ra, har bir atom o’ziga xos spektral chiziqlarga ega bo’ladi. Bunday chiziqlar ushbu atom uchun xu- susiy chiziqlar bo’lib, ular shu atomni topishga imkon beradi. Atom- ning yutadigan energiyasini h_kn va chiqargan energiyasini h_nk deb bel- gilaymiz. Odatda, h_knqh_nk bo’ladi.
   

Atom yuqoriroq energetik holatdan pastroq energetik holatga yoki asosiy energetik holatga qaytsa, muayyan issiqlik yoki nur energiyasi chiqaradi. Bu chiqarilgan energiya tegishli energetik holatlar ener- giyalari farqiga teng bo’ladi, ya’ni E₃–E₂qh₃₂; E₂–E₁qh₂₁ va E₁–E₀qh₁₀, bu erda indekslar energetik holatlarni, ko’sh raqamlar qaysi energetik

holatdan qaysisiga o’tishni ko’rsatadi (masalan, 21 – ikkinchi energe- tik holatdan birinchi energetik holatga o’tishdagi  qiymatini ifo- dalaydi.

^E3
E₂
E₁

^E3
E₂ E₁

E_o

25.2-chizma. Atomlarning energetik holatlaridagi o’tishlar: E_o – qo’zg’atilma-gan va E₁, E₂, E₃ – qo’zg’atilgan holatlar.
E_o

25.3-chizma. Atomlarga beriladigan nur kvantlarining yutish kvantlariga mos kelmasligi.

Elektromagnit nurlanishning to’lqin uzunligi va chastotasi ora- sida sq bog’lanish borligi yuqorida ko’rsatilgan edi. Shuni ham aytish kerakki, agar atomga beriladigan energiya uning yutish energiya- sidan katta yoki kichik bo’lsa, (25.3-chizma), atom yorug’lik kvantlarini sochadi va ular atomlarga urilib chiqib ketadi. Osmonning ko’m ko’k ekanligining sababi ham ana shundan.

Yorug’likning tarqalish koeffitsienti 1G’⁴ ga teng. Energetik holatlar orasidagi o’tishlar o’z–o’zidan yuzaga keladigan (spontan) o’tishlardir, ular to’qnashuv tufayli yoki to’qnashuvsiz bo’lishi mum- kin:

AQh₀₁A^*.

Qo’zg’atilgan holatdagi atomlar spontan ravishda ko’p energiya chiqaradi. Bu energiya Eynshteyn koeffitsienti yordamida quyidagicha ifodalanadi: A_ikq1G’_i yoki _iq1G’A_ik.

Energiya o’zgarishi (E) bilan zarrachaning yashash davri () orasida- gi bog’liqlik Geyzenberg tomonidan quyidagicha ifodalangan: Eh.

Zarracha asosiy holatda cheksiz uzoq vaqt yashagani uchun EhG’ _() bu holatning energiyasi juda kichik bo’ladi. Qo’zg’atilgan holatda esa zarracha juda kam vaqt (o’rtacha taxminan 10^-8 sek) yashaydi. Shuning uchun ham EhG’ ifodaga ko’ra zarracha energiyasi juda katta bo’ladi. 25.4-chizmada energiyaning kattaligi yo’g’onlashgan chiziqlar bilan tas- virlangan.

1

0,5

25.4-chizma. Atomning qo’zg’atilgan va qo’zg’atilmagan holatlardagi energiyalari- ning sxematik tasviri.

 

25.5-chizma. Spektr chizig’i va uning yarim kengligi.

Eng yo’g’on chig’iq energiyaning eng ko’pligini, ingichkarog’i 

kamroqligini ko’rsatadi.

Atom qo’zg’atilgan holatlarning turli pog’onalaridan yorug’lik chiqargani uchun bu yorug’likning to’lqin uzunligi har xil bo’ladi, ya’ni u monoxromatik bo’lmaydi. Agar atom bir xil to’lqin uzunligiga ega bo’lgan yorug’lik chiqarsa, bunday yorug’lik monoxromatik bo’ladi. Atom bir xil foton energiya chiqarsa, uning spektri bitta chiziqdan iborat bo’ladi. Aslida esa atom chiqaradigan fotonlar ko’p bo’ladi, shuning uchun spektrdagi chiziqlar soni ham ko’p bo’ladi. Yarim to’lqin shaklida tasvirlangan (25.5-chizma) spektr balandligining yarmini o’z ichiga olgan soha spektral chiziqning yarim kengligi () deyiladi. Har bir atom spektr chizig’ining yarim kengligi o’zgarmas bo’lganligi uchun unga spektral chiziqlarning tabiiy kengligi deyiladi. Spektr chizig’ining tabiiy kengligi 10^-5 nm bo’lsa (u ancha tor soha bo’lganligi uchun), uni monoxromatik deb qarash mumkin. Biroq, tabiatda mutlaq monoxroma- tik yorug’lik yo’q.

Energetik holatlarning energiyalari orasidagi farqlarni quyidagicha (E₁E₁)–(E_oE_o)qh(₁₀₁₀) yoki (E₁-E_o)G’h(E₁-E_o)G’hq₁₀₁₀ shak- lda ifodalanadi. Bu qiymat har bir atom uchun muayyan  ga teng.

Spektral chiziqlar tabiiy yarim kenglikdan tashqari intensivlik va muayyan o’ringa ham ega. Intensivlik tushunchasi aniq tushuncha emas, u umumiy tushunchadir, chunki biz qanday nur sochuvchi ob’ektni olmay- lik, uning faqat bir  burchak ostidagi qisminigina kuzatamiz. Aniqlanadigan elementning chiqarish spektrining intensivligi (I) bilan uning kontsentratsiyasi orasida quyidagicha mutanosib bog’liqlik bor: Iqac, bu erda a – mutanosiblik koeffitsienti, c – spektri o’lchanayotgan elementning kontsentratsiyasi.

1. 
   Chiziqlarning spektrdagi o’rni. Valent elektronlar atomlar spektrlarining yuzaga kelishida asosiy ahamiyat kasb etadi. Ikkita energetik holat orasidagi o’tishlarda muayyan to’lqin uzunli-
   

giga ega bo’lgan spektral chiziq yuzaga keladi. Atom yutgan energiyasini chiqarayotganda hosil bo’ladigan bu spektral chiziq atomning asosiy xarakteristikasi bo’lib, u muayyan atomni sifat jihatdan topishga imkon beradi. Har qanday atom muayyan ichki energiyaga ega. U qo’zg’atilgan holatda faqat shunga mos bo’lgan energiyani yutishi va, demak, chiqarishi mumkin. Shuning uchun ham atomlarning spektrlari chiziq shaklida bo’ladi. Analitik ahamiyatga molik spektral chi- ziqlarni olish uchun quyidagi tanlash qoidalari bajarilishi kerak.

1) Bosh kvant son istalgan qiymatga o’zgarishi (n – istalgan son) mumkin. 2) Elektron o’tishlari faqat azimutal kvant soni birga teng

bo’lgan orbitallar orasida bo’lishi kerak, ya’ni lq1. Boshqacha qilib aytganda, s orbitaldan d orbitallarga, r orbitallardan ƒ orbitallar- ga va hokazo o’tishlar ta’qiqlangan, s orbitaldan r orbitalga, r orbi- tallardan d orbitallarga va hokazo o’tishlarga ruxsat etilgan (25.6- chizma). 3) Bittadan ortiq elektron qo’zg’atiladigan o’tishlar ta’qiqlangan. 4) Elektron bir pog’onadan boshqasiga o’tganda uning spini o’zgarmasligi kerak, ya’ni spin o’zgarishlari bilan bo’ladigan o’tishlar ta’qiqlangan.

Elektron o’tishlarda bosh kvant son istalgan qiymatga o’zgarishi mumkinligi uchun istalgan p holatdan elektron 2 s holatga o’tishiga ruxsat etiladi. Mazkur o’tishlar natijasida hosil bo’ladigan chiziqlar to’plamiga bosh to’plam deyiladi. Uning chastotasi q2s–mp (mq2,3,4,..), ya’ni  chastota elektronning mp (mq2,3,4,..) holatlardan o’tishi natijasida nurlanadi. Litiy atomining spektrida, shunin- gdek, birinchi qo’shimcha yoki kemtik (diffuz) chiziq bo’lib, uning chas- totasi q2p–md (mq3,4,5,..).

Ikkinchi qo’shimcha (keskin) to’plam ancha keskin ifodalanib, uning chastotasi q2p–ms (mq3,4,5,..). Ko’rsatib o’tilgan to’plamlardan tashqari boshqa to’plamlar ham mavjud, biroq, kitobni ortiqcha material bilan to’ldirishdan cheklanish maqsadida, mazkur muhim to’plamni ko’rib o’tishning o’zi etarlidir. Boltsman taqsimotiga ko’ra ko’p sonli atom- lar energiyasi eng kam holatda bo’ladi. Litiy atomida (25.6-chizma) nur sochadigan optik elektron 2s sathda joylashgan bo’lib, uning eng yaqin qo’zg’atilgan holati 2p sathga to’g’ri keladi.

^{E, eV 2S}1G’2 ^2P1G’2,3G’2 ^2D3G’2,5G’2
5s 5p 4d 4p

-1 4s 3p 3d

III

-2 3s

358

Boltsman taqsimotiga asosan bu holatda eng ko’p qo’zg’atilgan atom-

lar bo’ladi. Shuning uchun ham 2p holatdan 2s holatga o’tishda paydo bo’ladigan nurlanish chizig’i eng intensiv bo’ladi. Odatda, atomning birinchi qo’zg’atilgan holati bilan asosiy energetik holati orasidagi o’tishlarda hosil bo’ladigan nurlanish chizig’i eng intensiv bo’ladi, bu chiziqqa rezonans chiziq deyiladi. Litiy atomi uchun bu chiziqning.chastotasi q2s–2p bo’lib, 2p dan 2s ga o’tishda  chastota nur- lanadi.

Birinchi qo’zg’atilgan holatdan o’tishdagi hamma rezonans chiziqlar muhim analitik ahamiyatga ega. Bu chiziqlarning intensivligi katta bo’lganligi uchun ular sezuvchanlikni oshiradi. Bu chiziqlar element- larni sifat jihatdan topish maqsadida qo’llaniladi. Ishqoriy me- tallarning rezonans chiziqlarini qo’zg’atish uchun kam energiya talab etilgani holda, metallmaslar uchun esa talab etiladigan energiya juda katta bo’ladi. Buning oqibatida rezonans chiziqlar ko’rinadigan spektr sohasidan vakuum ultrabinafsha sohaga siljiydi. Buni quyidagi qatordan ko’rish mumkin: Na 589,0–589,6 nm  Si 251,6 nm P 177,6 nm.

Vakuum ultrabinafsha sohada havo va boshqa gazlar analizga xalaqit beradi, shuning uchun tajriba o’tkazish ancha qiyin bo’ladi. Binobarin, atom spektroskopiyasi usullari, asosan, metallarni aniqlash uchun ishlatiladi.

Barcha elektron o’tishlari soni va, demak, element spektridagi chiziqlar soni tashqi elektronlarning soni va joylashishi bilan bel- gilanadi. Atomlarning tashqi elektronlar soni kam bo’lganligi uchun ularning spektrlaridagi chiziqlar soni ham kam bo’ladi. Davriy sis- tema yonaki guruhlaridagi metallarning spektrlarida chiziqlar soni ko’p bo’ladi. Elementlarning spektral chiziqlari maxsus atlaslarda keltirilgan. Ular asosida har qaysi elementning spektral chizig’i topiladi va tegishli analitik xulosalar qilinadi.