6.10: Чому предмети поглинають так, як вони роблять?

Last updated
Save as PDF

Page ID: 37958

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Ми бачимо, що існує значна кількість поглинання випромінювання в інфрачервоному, але досить мало у видимому. Крім того, ми бачимо, що гази сильно поглинають на одних довжині хвиль, а не на інших. Чому це?

Щоб відповісти на це питання, нам потрібно подивитися на конфігурації електронів, які збільшуються навколо атомів і молекул. Більше 100 років тому вчені почали використовувати призми для розсіювання світла від сонця і від полум'я, що містять різні елементи. Поки сонце дарувало кольори веселки, полум'я мало світло в дуже чітких лініях або смугах. Ця головоломка була остаточно вирішена трохи більше 100 років тому з винаходом квантової механіки, яка в основному говорить про те, що електрони, що збільшуються навколо атомів і молекул, а також вібрації і обертання молекул можуть мати тільки дискретні енергії, які регулюються правилами збереження кутових. імпульс.

2019-08-16 9.42.23.png — Льодовик Періто Морено Опал Айсберг в Аргентині. Синій колір є результатом селективного поглинання випромінювання з довжинами хвиль на червоному кінці видимого спектра. На малюнку нижче, який показує залежність довжини хвилі поглинання різними молекулами, можна побачити, що водяна пара має поглинання в червоній частині видимого спектра, починаючи приблизно з 600 нм (0,6 мкм). Кредит: Домінік Алвес через flickr

Наступний маркований список - це аварійний курс поглинання електронами в атомах і молекулах. Зверніться до малюнка під коробкою.

Краш-курс: Поглинання електронами в атомах і молекулах

Хімічні зв'язки та квантова механіка разом визначають енергетичні рівні, в яких може перебувати будь-який електрон, атом або молекула.
Молекулярна енергія - це сума енергії, пов'язаної з положенням електрона щодо стабільного наземного електронного стану, молекулярної вібрації та молекулярного обертання.
Поглинання відбувається, коли енергія фотона відповідає різниці між двома енергетичними рівнями в молекулі, Δ E = E _{кінцевий} — E _{початковий} = hc/λ.
Правила, встановлені збереженням моменту моменту і спина електронів, визначають, які переходи допускаються.
Величина поглинання, звана просто перерізом поглинання, σ, походить від багатьох факторів, але значно варіюється від молекули до молекули і від переходу до переходу. Перетин має розміри площі і зазвичай має одиниці см ².
Електронні переходи відбуваються, коли електрони фактично стрибають на інші орбіти навколо ядер. Вони мають енергії, еквівалентні випромінюванню (тобто фотонам) в ультрафіолеті до видимих довжин хвиль.
Вібраційні переходи відбуваються, коли молекула вібрує з іншою частотою або по-іншому. Двоатомні молекули (наприклад, O ₂ і N ₂) мають лише один спосіб вібрувати - вперед і назад вздовж хімічного зв'язку, який їх зв'язує. Але більш складні молекули (наприклад, H ₂ O і CO ₂) можуть вібрувати не тільки з ядрами, що йдуть назустріч і подалі один від одного, але і шляхом згинання в трьох напрямках. Ці коливальні переходи, що супроводжуються рухами, що поєднують вібрацію і обертання, мають енергії, еквівалентні ближньому і середньому інфрачервоному випромінюванню (тобто фотонам).
Обертальні переходи відбуваються, коли молекула змінює швидкість обертання. Ці переходи мають енергії, еквівалентні випромінюванню (тобто фотонам) в далекому інфрачервоному діапазоні до довжин хвиль радіохвиль.
Поступальні енергії молекул в атмосфері Землі, ~ kT, як правило, трохи більше енергії, необхідної для переміщення з одного обертального рівня на інший, в 10-100 разів менше енергії, необхідної для переходу з одного коливального рівня на інший, і сотні до тисяч разів менше, ніж потрібно для переходу з одного електронного рівня на інший.
Ми вже бачили, що деякі молекули і атоми мають більше кінетичної енергії, ніж інші. Всі молекули з кінетичною енергією, більшою, ніж різниця енергій між обертальними рівнями, можуть зіткнутися з молекулою і давати їй достатню обертальну енергію для зміни до більш високого обертального рівня. Таким чином, ми бачимо, що обертальна енергія розподіляється на багатьох обертальних рівнях, але що коливальний та електронний рівні, як правило, є наземними (найнижчими енергетичними) рівнями.
Атоми не мають молекулярноподібних коливань і обертань, оскільки мають лише одне ядро, тому їх спектри складаються лише з електронних переходів.
Різкий перехід від одного дискретного рівня до іншого, який виступає у вигляді лінії в спектрі, відбувається у вузькому діапазоні енергій щодо перехідної різниці енергії. Отримане випромінювання відбувається у вузькій смузі довжин хвиль про центральну довжину хвилі лінії. Ширина цієї лінії (вимірюється на половині максимальної висоти лінії) називається шириною лінії.
Ця природна ширина лінії може бути розширена рухом молекули, званим доплерівським розширенням, або зіткненнями, званими розширенням тиску.
Високо в атмосфері допплерівське розширення є домінуючим, оскільки тиск низький, але нижчий в атмосфері, розширення тиску стає домінуючим, навіть якщо розширення доплера також збільшується. Таким чином, лінії поглинання ширші поблизу поверхні Землі, ніж вони вище в атмосфері.

Перетин поглинання, σ, значно змінюється по ширині лінії поглинання. Таким чином, можливо, що все випромінювання поглинається посередині лінії, але дуже мало поглинається в «крилах».

2019-08-16 9.47.55.png — Діаграма енергетичного рівня для молекули. Чим більше відстань між лініями, тим більша енергія поглиненого або випромінюваного фотона і тим самим коротша довжина хвилі фотона. Допускаються не всі переходи між усіма рівнями через збереження кутового моменту. Кредит: UC Девіс Chemwiki

Фізична інтерпретація

Атоми і молекули можуть поглинати випромінювання (фотон) тільки в тому випадку, якщо їх структура має енергетичну різницю між рівнями, що відповідає енергії фотона (hc/λ). В іншому випадку атом або молекула не будуть поглинати світло. Після того, як молекула поглине фотон, вона може або втратити фотон і повернутися до початкового нижчого енергетичного рівня; або вона може розірватися, якщо енергія фотонів більша за хімічний зв'язок, що утримує молекулу разом; або вона може зіткнутися з іншими молекулами, такими як N ₂ або O ₂, і передавати їм енергію, поки вона повертається до нижчого енергетичного рівня. Зіткнення трапляються часто, тому енергія поглиненого фотона часто передається тепловій енергії.

2019-08-16 9.49.04.png — Сонячне і земне опромінення і поглинання молекулами в ультрафіолетовому, видимому та інфрачервоному діапазоні. Кредит: Роберт А Роде, Мистецтво глобального потепління, через Wikimedia Commons

Зверніть увагу, що зростаюче інфрачервоне опромінення Землі обмежується кількома атмосферними «вікнами», а опромінення на всіх інших довжині хвиль сильно поглинається, в основному водяною парою, а також діоксидом вуглецю, озоном, закисом азоту, метаном та іншими більш слідовими газами, які не показані на малюнку вище.