Джерела світла - Резонансне випромінювання

У зв’язку з тим, що в атомах найлегше віддаляються від ядра валентні електрони, для збудження атомів якої-небудь речовини необхідно, щоб поглинута ними енергія як мінімум дорівнювала роботі, яку має виконати валентний електрон для переходу на найближчу більш віддалену дозволену орбіту (на найближчий збуджений рівень). Називається ця робота роботою збудження (Аз) i вимірюється в електрон-вольтах. Вона характеризується різницею потенціалів, за якої при відсутності зіткнень електрон набуває кінетичної енергії, яка дорівнює роботі збудження Аз. Називається ця різниця потенціалів потенціалом збудження (φз).

де ee - заряд електрона.
Випромінювання, яке виникає при переходах атомів з найнижчих збуджених станів безпосередньо в нормальний (незбуджений), називається резонансним випромінюванням. Енергетичні рівні, які відповідають цим найменш збудженим станам атома, називаються резонансними рівнями, а лінії у спектрі, які з‘являються при поверненні атомів з таких станів у нормальний, - резонансними лініями. Відповідно випромінювання, яке обумовлено переходами електронів у атомах між збудженими рівнями, тобто спричинене переходами атомів з більш збуджених станів у менш збуджені, називається нерезонансним.
При передачі енергії атомам їх опромінюванням для того, щоб ці атоми перейшли у збуджений стан і самі почали випромінювати електромагнітні хвилі, енергія (частота) збуджуючого опромінювання як мінімум має дорівнювати енергії (частоті) їхнього резонансного випромінювання, яке є збудженим (вимушеним). Інакше енергія квантів hv зовнішнього опромінювання буде недостатньою для переведення валентного електрона в атомі на найближчий збуджений енергетичний рівень, тобто для здійснення роботи збудження. Збігом частот збуджуючого та спричиненого (збудженого) випромінювань і пояснюється така назва останнього. Вона враховує певну аналогію даного фізичного явища з іншими резонансними явищами, зокрема, в механіці та електротехніці.
Нагадаємо, що резонансом в механіці називається різке зростання амплітуди вимушених коливань системи при збігові частоти змінення діючої на цю систему зовнішньої сили з частотою вільних (власних) коливань цієї системи.
Завдяки тому, що для збудження резонансного випромінювання потрібні найменші кванти енергії, виникнення його звичайно є найбільш імовірним, а інтенсивність відповідно досягає найбільших значень. Для збудження атомів до більш високих енергетичних рівнів потрібна більша енергія. Наприклад, при освітленні пари натрію жовтим світлом з довжиною хвилі λ= 589,59 нм це світло інтенсивно поглинається атомами пари натрію і вони при поверненні із збудженого в нормальний стан самі інтенсивно випромінюють жовте світло з тією самою довжиною хвилі, яка для них є довжиною хвилі резонансного випромінювання.
Резонансних рівнів в атомах різних речовин може бути і декілька. Наприклад, у атомів натрію і ртуті їх по два і резонансними у них є випромінювання з двома різними довжинами хвиль.
Наявність у атомів натрію і ртуті двох резонансних рівнів пояснюється тим, що переходи електронів між двома найнижчими збудженими рівнями потрапили до складу заборонених правилами відбору. Тому повернення електронів у атомах цих речовин і з наступного більш високого збудженого рівня також відбувається безпосередньо на основний енергетичний рівень. Отже, ці обидва рівні - резонансні. Схематично це проілюстровано на рис. 1.11, де резонансні рівні показані лініями 1 і 2, а основний - лінією 0.
По дві резонансні лінії мають також кадмій і цинк. У атомів талію ( Z=81) їх навіть чотири, хоча резонансних рівнів у них також два. Обумовлено це тим, що основний енергетичний рівень, на якому нормально знаходиться випромінюючий електрон ( 6р ), є дуплетним, тобто розщепленим на два (рис. 1.12). На рис. 1.12 розщеплений основний енергетичний рівень показаний лініями О1 та О2, резонансні рівні, як і на рис. 1.11, показані лініями 1 і 2.

Рис. 1.11. Схема розміщення енергетичних резонансних рівнів натрію

Рис. 1.12. Схема, яка пояснює наявність у спектрі пари талію чотирьох резонансних ліній
Атоми кожної речовини, маючи лише їм притаманне значення заряду ядра Z, мають і тільки їм властиві довжини хвиль резонансного випромінювання. Для деяких речовин, які використовуються у джерелах світла, значення потенціалів збудження φз та резонансних довжин хвиль наведені у табл. 1.5.

Таблиця 1.5
Потенціали іонізації та збудження атомів різних речовин
і довжини хвиль резонансного випромінювання цих речовин

Неважко зрозуміти, що значення потенціалів збудження ізольованих атомів різних речовин, як і довжини хвиль притаманного їм резонансного випромінювання, у значній мірі визначаються силою притягання валентних електронів до ядер атомів цих речовин.