Les rayonnements sont connus depuis longtemps dans la nature, qui est de nature différente de tous les types de rayonnements connus (rayonnement thermique, réflexion, diffusion de la lumière, etc.). Ce rayonnement est un rayonnement luminescent, dont des exemples peuvent être la lueur des corps lorsqu'ils sont irradiés par des rayonnements visibles, ultraviolets et X, des rayonnements , etc. Les substances capables de briller sous l'influence de divers types d'excitations sont appelées phosphores.

Luminescence- le rayonnement hors équilibre, qui, à une température donnée, est supérieur au rayonnement thermique du corps et a une durée plus longue que la période des oscillations lumineuses. La première partie de cette définition conduit à la conclusion que la luminescence n'est pas un rayonnement thermique (voir § 197), puisque tout corps à une température supérieure à 0 K émet des ondes électromagnétiques, et un tel rayonnement est thermique. La deuxième partie montre que la luminescence n'est pas un type de lueur tel que la réflexion et la diffusion de la lumière, le rayonnement de bremsstrahlung de particules chargées, etc. La période des oscillations lumineuses est d'environ 10 à 15 s, donc la durée par laquelle la lueur peut être classée car la luminescence est plus longue - environ 10 à 10 s. Signe

La durée de la lueur permet de distinguer la luminescence des autres processus hors équilibre. Ainsi, sur la base de ce critère, il a été possible d'établir que le rayonnement Vavilov-Tcherenkov (voir §189) ne peut être attribué à la luminescence.

Selon les modes d'excitation, il existe : photoluminescence(sous l'influence de la lumière), luminescence aux rayons X(sous l'influence des rayons X), cathodoluminescence(sous l'influence des électrons), électroluminescence(sous l'influence d'un champ électrique), radioluminescence(lorsqu'il est excité par un rayonnement nucléaire, par exemple un rayonnement , des neutrons, des protons), chimiluminescence(lors de transformations chimiques), triboluminescence(lors du broyage et du bris de certains cristaux, comme le sucre). En fonction de la durée de la lueur, on les distingue classiquement : fluorescence(t10 -8 s) et phosphorescence- une lueur qui persiste pendant une période de temps notable après la cessation de l'excitation.

La première étude quantitative de la luminescence a été réalisée il y a plus de cent ans J.Stokes, qui a formulé la règle suivante en 1852 : la longueur d'onde du rayonnement luminescent est toujours supérieure à la longueur d'onde de la lumière qui l'a excité (Fig. 326). D'un point de vue quantique, la règle de Stokes signifie que l'énergie hv du photon incident est partiellement dépensé pour certains processus non optiques, c'est-à-dire

hv=hv lumen +E,

d'où v lum , comme suit de la règle formulée.

La principale caractéristique énergétique de la luminescence est production d'énergie, introduit par S.I. Vavilov en 1924 - le rapport entre l'énergie émise par un phosphore lorsqu'il est complètement éclairé et l'énergie absorbée par celui-ci. Typique pour les luminophores organiques (en utilisant l'exemple d'une solution de fluorescéine), la dépendance de la production d'énergie  sur la longueur d'onde  de la lumière excitatrice est représentée sur la Fig. 327. Il résulte de la figure qu'au début  augmente proportionnellement à , puis, atteignant une valeur maximale, diminue rapidement jusqu'à zéro avec une nouvelle augmentation À(Loi de Vavilov). Le rendement énergétique des différents luminophores varie dans des limites assez larges ; sa valeur maximale peut atteindre environ 80 %.

Les solides, qui sont des cristaux effectivement luminescents préparés artificiellement et contenant des impuretés étrangères, sont appelés phosphores cristallins. En utilisant les luminophores cristallins comme exemple, nous considérerons les mécanismes d'apparition de la luminescence du point de vue de la théorie des bandes des solides. Entre la bande de valence et la bande de conduction du phosphore cristallin se trouvent les niveaux d'impuretés de l'activateur (Fig. 328). À

Lorsqu'un atome activateur absorbe un photon d'énergie hv, un électron du niveau d'impureté est transféré vers la bande de conduction et se déplace librement dans le cristal jusqu'à ce qu'il rencontre un ion activateur et se recombine avec lui, se déplaçant à nouveau vers le niveau d'impureté. La recombinaison s'accompagne de l'émission d'un quantum luminescent. Le temps de lueur du phosphore est déterminé par la durée de vie de l'état excité des atomes activateurs, qui ne dépasse généralement pas les milliardièmes de seconde. Par conséquent, la lueur est de courte durée et disparaît presque immédiatement après l’arrêt de l’irradiation.

Pour qu'une lueur (phosphorescence) à long terme se produise, le phosphore cristallin doit également contenir centres de capture, ou pièges pour les électrons, qui sont des niveaux locaux non remplis (par exemple, Jl 1 et L 2), situés près du bas de la bande de conduction (Fig. 329). Ils peuvent être formés par des atomes d'impuretés, des atomes dans des interstices, etc. Sous l'influence de la lumière, les atomes activateurs sont excités, c'est-à-dire que les électrons du niveau d'impureté se déplacent dans la bande de conduction et se libèrent. Cependant, ils sont capturés par des pièges, ce qui leur fait perdre leur mobilité et, par conséquent, leur capacité à se recombiner avec l'ion activateur. La libération d'un électron d'un piège nécessite la dépense d'une certaine énergie, que les électrons peuvent obtenir, par exemple, à partir des vibrations thermiques du réseau. L'électron libéré du piège entre dans la bande de conduction et se déplace à travers le cristal jusqu'à ce qu'il soit à nouveau capturé par le piège ou se recombine avec l'ion activateur.

Dans ce dernier cas, un quantum de rayonnement luminescent apparaît. La durée de ce processus est déterminée par le temps de séjour des électrons dans les pièges.

Le phénomène de luminescence est largement utilisé en pratique, par exemple analyse de luminescence - une méthode pour déterminer la composition d'une substance par sa lueur caractéristique. Cette méthode, étant très sensible (environ 10 -10 g/cm 3 ), permet de détecter la présence d'impuretés insignifiantes et est utilisée dans les recherches les plus délicates en biologie, médecine, industrie agroalimentaire, etc. Détection des défauts luminescents permet de détecter les fissures les plus fines à la surface des pièces de machines et autres produits (la surface examinée est recouverte d'une solution luminescente qui, après retrait, reste dans les fissures).

Les phosphores sont utilisés dans les lampes fluorescentes, sont le milieu actif des générateurs quantiques optiques (voir § 233) et des scintillateurs (seront discutés ci-dessous), sont utilisés dans les convertisseurs électron-optique (voir § 169), sont utilisés pour créer un éclairage de secours et de camouflage et pour la fabrication d'indicateurs lumineux de divers appareils.

Rayonnement thermique et luminescence.

L'énergie dépensée par un corps lumineux en rayonnement peut être reconstituée à partir de diverses sources. Le phosphore qui s'oxyde dans l'air brille en raison de l'énergie libérée lors de la transformation chimique. Ce type de lueur est appelé chimiluminescence. La lueur qui se produit lors de divers types de décharges gazeuses indépendantes est appelée électroluminescence. La lueur des solides provoquée par le bombardement d’électrons est appelée cathodoluminescence. Émission par un corps d'un rayonnement d'une certaine longueur d'onde qui lui est caractéristique λ 1 peut être provoqué par l'irradiation de ce corps (ou par l'avoir préalablement irradié) avec un rayonnement de longueur d'onde λ 1 de moins que λ 2. De tels processus sont regroupés sous le nom de photoluminescence (La luminescence est un rayonnement qui dépasse le rayonnement thermique d'un corps à une température donnée et qui a une durée nettement plus longue que la période des ondes émises. Les substances luminescentes sont appelées phosphores ).

Figure 8.1 Chimiluminescence

Figure 8.2 Photoluminescence

Figure 8. 3 Électroluminescence.

La plus courante est la lueur des corps due à leur échauffement. Ce type de lueur est appelé rayonnement thermique (ou température). Le rayonnement thermique se produit à n'importe quelle température, mais à basse température, presque seules des ondes électromagnétiques longues (infrarouges) sont émises.

Entourons le corps rayonnant d'une coque impénétrable à surface parfaitement réfléchissante (Fig.).

Le rayonnement tombant sur un corps est absorbé par celui-ci (partiellement ou totalement). Par conséquent, il y aura un échange continu d’énergie entre le corps et le rayonnement remplissant la coque. Si la répartition de l’énergie entre le corps et le rayonnement reste inchangée pour chaque longueur d’onde, l’état du système corps-rayonnement sera en équilibre. L'expérience montre que le seul type de rayonnement pouvant être en équilibre avec les corps rayonnants est le rayonnement thermique. Tous les autres types de rayonnement s’avèrent hors équilibre.

Ensuite, l'énergie interne du corps diminuera, ce qui entraînera une diminution de la température. Cela entraînera à son tour une diminution de la quantité d’énergie émise par le corps. La température corporelle diminuera jusqu’à ce que la quantité d’énergie émise par le corps soit égale à la quantité d’énergie absorbée. Si l’équilibre est perturbé dans l’autre sens, c’est-à-dire si la quantité d’énergie émise est inférieure à celle absorbée, la température corporelle augmentera jusqu’à ce que l’équilibre soit rétabli. Ainsi, un déséquilibre du système corps-radiation provoque l'émergence de processus qui rétablissent l'équilibre.

La situation est différente dans le cas de tout type de luminescence. Démontrons cela en utilisant l'exemple de la chimiluminescence. Pendant que se produit la réaction chimique provoquant le rayonnement, le corps rayonnant s’éloigne de plus en plus de son état d’origine. L'absorption du rayonnement par un corps ne changera pas la direction de la réaction, mais conduira au contraire à une réaction plus rapide (en raison de l'échauffement) dans la direction d'origine. L'équilibre ne sera établi que lorsque la totalité de l'approvisionnement en substances réactives et en Glow sera consommée.

causés par des processus chimiques seront remplacés par un rayonnement thermique.

Ainsi, de tous les types de rayonnement, seul le rayonnement thermique peut être en équilibre. Les lois de la thermodynamique s'appliquent aux états et aux processus d'équilibre. Par conséquent, le rayonnement thermique doit obéir à certaines lois générales découlant des principes de la thermodynamique. Nous allons maintenant passer à l'examen de ces modèles.

8.2 Loi de Kirchhoff.

Introduisons quelques caractéristiques du rayonnement thermique.

Flux d'énergie (toutes les fréquences), émis par une unité de surface d'un corps rayonnant par unité de temps dans toutes les directions(dans un angle solide 4π), appelé luminosité énergétique du corps (R.) [R.] = W/m2 .

Le rayonnement est constitué d'ondes de différentes fréquences (ν). Notons le flux d'énergie émis par une surface unitaire d'un corps dans la gamme de fréquences de ν à ν + dν, à travers d R.ν. Puis à une température donnée.

Où - densité spectrale luminosité énergétique, ou émissivité du corps .

L'expérience montre que l'émissivité d'un corps dépend de la température du corps (pour chaque température, le rayonnement maximum se situe dans sa propre gamme de fréquences). Dimension .

Connaissant l’émissivité, on peut calculer la luminosité énergétique :

Laissez tomber un flux d'énergie radiante dФ sur une zone élémentaire de la surface du corps, provoqué par des ondes électromagnétiques dont les fréquences sont contenues dans l'intervalle dν. Une partie de ce flux sera absorbée par l’organisme. Sans dimension

appelé capacité d'absorption du corps . Cela dépend aussi beaucoup de la température.

Par définition, il ne peut pas être supérieur à un. Pour un corps qui absorbe complètement les rayonnements de toutes les fréquences, . Un tel corps est appelé absolument noir (c'est une idéalisation).

Le corps pour lequel et inférieur à l'unité pour toutes les fréquences,appelé corps gris (c'est aussi une idéalisation).

Il existe un certain lien entre la capacité d’émission et d’absorption d’un corps. Menons mentalement l'expérience suivante.

Supposons qu'il y ait trois corps à l'intérieur d'une coque fermée. Les corps étant dans le vide, les échanges d’énergie ne peuvent se produire que par rayonnement. L'expérience montre qu'un tel système atteindra, après un certain temps, un état d'équilibre thermique (tous les corps et la coque auront la même température).

Dans cet état, un corps avec une plus grande émissivité perd plus d’énergie par unité de temps, mais, par conséquent, ce corps doit également avoir une plus grande capacité d’absorption :

Gustav Kirchhoff formulé en 1856 loi et suggéré modèle de corps noir .

Le rapport émissivité/absorptivité ne dépend pas de la nature du corps ; il est le même pour tous les corps ;(universel)fonction de la fréquence et de la température.

où f( – fonction Kirchhoff universelle.

Cette fonction a un caractère universel, ou absolu.

Les quantités et , prises séparément, peuvent changer extrêmement fortement lors du passage d'un corps à un autre, mais leur rapport en permanence pour tous les corps (à une fréquence et une température données).

Pour un corps absolument noir, =1, donc pour lui f(, c'est-à-dire La fonction universelle de Kirchhoff n'est rien d'autre que l'émissivité d'un corps complètement noir.

Les corps absolument noirs n’existent pas dans la nature. La suie ou noir de platine a une capacité d’absorption de 1, mais seulement dans une gamme de fréquences limitée. Cependant, une cavité avec un petit trou est très proche dans ses propriétés d'un corps complètement noir. Un faisceau qui pénètre à l'intérieur est nécessairement absorbé après de multiples réflexions, et un faisceau de n'importe quelle fréquence.

L'émissivité d'un tel dispositif (cavité) est très proche de f(ν ,T). Ainsi, si les parois de la cavité sont maintenues à une température T, alors un rayonnement sort du trou, très proche en composition spectrale du rayonnement d'un corps absolument noir à la même température.

En décomposant ce rayonnement en un spectre, on peut retrouver la forme expérimentale de la fonction f(ν ,T)(Fig. 1.3), à différentes températures T 3 > T 2 > T 1 .

La zone couverte par la courbe donne la luminosité énergétique d'un corps noir à la température correspondante.

Ces courbes sont les mêmes pour tous les corps.

Les courbes sont similaires à la fonction de distribution de vitesse moléculaire. Mais là, les zones couvertes par les courbes sont constantes, mais ici, avec l'augmentation de la température, la zone augmente considérablement. Cela suggère que la compatibilité énergétique dépend fortement de la température. Rayonnement maximal (émissivité) avec l'augmentation de la température changements vers des fréquences plus élevées.

Rayonnement électromagnétique. Application des méthodes d'analyse spectrale.

Énergie de rayonnement.

La source lumineuse doit consommer de l’énergie. La lumière est constituée d'ondes électromagnétiques d'une longueur d'onde de 4·10-7 à 8·10-7 m. Les ondes électromagnétiques sont émises par le mouvement accéléré de particules chargées. Ces particules chargées font partie des atomes. Mais sans connaître la structure de l’atome, on ne peut rien dire de fiable sur le mécanisme de rayonnement. Il est clair qu’il n’y a pas de lumière à l’intérieur d’un atome, tout comme il n’y a pas de son dans une corde de piano. Comme une corde qui ne commence à sonner qu’après avoir été frappée par un marteau, les atomes ne donnent naissance à la lumière qu’après avoir été excités.
Pour qu’un atome commence à rayonner, il faut que de l’énergie lui soit transférée. Lorsqu'il émet, un atome perd l'énergie qu'il reçoit, et pour la lueur continue d'une substance, un afflux d'énergie vers ses atomes depuis l'extérieur est nécessaire.

Rayonnement thermique. Le type de rayonnement le plus simple et le plus courant est le rayonnement thermique, dans lequel l'énergie perdue par les atomes pour émettre de la lumière est compensée par l'énergie du mouvement thermique des atomes ou (molécules) du corps émetteur.
Au début du 19ème siècle. Il a été découvert qu'au-dessus (en longueur d'onde) de la partie rouge du spectre de la lumière visible se trouve une partie infrarouge du spectre invisible à l'œil, et qu'en dessous de la partie violette du spectre de la lumière visible se trouve une partie ultraviolette invisible du spectre. spectre.
Les longueurs d'onde du rayonnement infrarouge vont de 3·10-4 à 7,6·10-7 m. La propriété la plus caractéristique de ce rayonnement est son effet thermique. La source des rayons IR est n’importe quel corps. Plus la température corporelle est élevée, plus l’intensité de ce rayonnement est élevée. Plus la température corporelle est élevée, plus les atomes se déplacent rapidement. Lorsque des atomes rapides (molécules) entrent en collision, une partie de leur énergie cinétique est convertie en énergie d'excitation des atomes, qui émettent alors de la lumière.

Le rayonnement infrarouge est étudié à l'aide de thermocouples et de bolomètres. Le principe de fonctionnement des appareils de vision nocturne repose sur l’utilisation du rayonnement infrarouge.
La source thermique de rayonnement est le Soleil, ainsi qu'une lampe à incandescence ordinaire. La lampe est une source très pratique mais peu coûteuse. Seulement environ 12 % de l’énergie totale libérée par le courant électrique dans une lampe est convertie en énergie lumineuse. La source thermique de lumière est une flamme. Les grains de suie s'échauffent en raison de l'énergie libérée lors de la combustion du carburant et émettent de la lumière.

Électroluminescence. L’énergie nécessaire aux atomes pour émettre de la lumière peut également être obtenue à partir de sources non thermiques. Lors d’une décharge dans les gaz, le champ électrique confère une plus grande énergie cinétique aux électrons. Les électrons rapides subissent des collisions avec des atomes. Une partie de l’énergie cinétique des électrons sert à exciter les atomes. Les atomes excités libèrent de l’énergie sous forme d’ondes lumineuses. De ce fait, la décharge dans le gaz s'accompagne d'une lueur. C'est l'électroluminescence.

Cathodoluminescence. La lueur des solides provoquée par le bombardement d’électrons est appelée cathodoluminescence. Grâce à la cathodoluminescence, les écrans des tubes cathodiques brillent.

Chimiluminescence. Dans certaines réactions chimiques qui libèrent de l’énergie, une partie de cette énergie est directement dépensée pour l’émission de lumière. La source lumineuse reste froide (elle est à température ambiante). Ce phénomène est appelé chimiluminescence.

Photoluminescence. La lumière incidente sur une substance est partiellement réfléchie et partiellement absorbée. L’énergie de la lumière absorbée ne provoque dans la plupart des cas qu’un échauffement des corps. Cependant, certains corps eux-mêmes commencent à briller directement sous l'influence des radiations qui les frappent. C'est la photoluminescence.

La lumière excite les atomes d'une substance (augmente leur énergie interne), après quoi ils s'illuminent eux-mêmes. Par exemple, les peintures lumineuses qui recouvrent de nombreuses décorations pour arbres de Noël émettent de la lumière après avoir été irradiées. La photoluminescence des solides, ainsi que des luminophores à usage spécial, peut se situer non seulement dans le visible, mais également dans les plages ultraviolette et infrarouge. En règle générale, la lumière émise lors de la photoluminescence a une longueur d'onde plus longue que la lumière qui excite la lueur. Ceci peut être observé expérimentalement. Si vous dirigez un faisceau lumineux passé à travers un filtre violet sur un récipient contenant un fluorescent (colorant organique), alors ce liquide commence à briller avec une lumière vert-jaune, c'est-à-dire une lumière d'une longueur d'onde plus longue que la lumière violette.
Le phénomène de photoluminescence est largement utilisé dans les lampes fluorescentes. Le physicien soviétique S.I. Vavilov a proposé de recouvrir la surface interne du tube à décharge de substances capables de briller sous l'action du rayonnement à ondes courtes d'une décharge gazeuse.

Répartition de l'énergie dans le spectre.

Aucune des sources ne produit de lumière monochromatique, c'est-à-dire une lumière d'une longueur d'onde strictement définie. Nous en sommes convaincus par des expériences sur la décomposition de la lumière en un spectre à l'aide d'un prisme, ainsi que par des expériences sur l'interférence et la diffraction.
L'énergie que la lumière transporte avec elle à partir d'une source est distribuée d'une certaine manière sur les ondes de toutes longueurs qui composent le faisceau lumineux. On peut aussi dire que l'énergie est distribuée sur les fréquences, puisqu'il existe une relation simple entre longueur d'onde et fréquence : ђv = c.
La densité de flux du rayonnement électromagnétique ou son intensité est déterminée par l'énergie à toutes les fréquences. Pour caractériser la distribution fréquentielle du rayonnement, il est nécessaire d’introduire une nouvelle grandeur : l’intensité par intervalle de fréquence unitaire. Cette quantité est appelée densité spectrale de l’intensité du rayonnement.

Vous ne pouvez pas compter sur votre œil pour estimer la distribution d’énergie. L’œil a une sensibilité sélective à la lumière : sa sensibilité maximale se situe dans la région jaune-vert du spectre. Il est préférable de profiter de la propriété d’un corps noir d’absorber presque complètement la lumière de toutes les longueurs d’onde. Dans ce cas, l’énergie du rayonnement (c’est-à-dire la lumière) provoque un échauffement du corps. Il suffit donc de mesurer la température corporelle et d'en juger la quantité d'énergie absorbée par unité de temps.
Un thermomètre ordinaire est trop insensible pour être utilisé avec succès dans de telles expériences. Des instruments plus sensibles sont nécessaires pour mesurer la température. Vous pouvez prendre un thermomètre électrique dans lequel l'élément sensible est réalisé sous la forme d'une fine plaque métallique. Cette plaque doit être recouverte d'une fine couche de suie, qui absorbe presque complètement la lumière de n'importe quelle longueur d'onde.
La plaque thermosensible de l'appareil doit être placée à l'un ou l'autre endroit du spectre. L'ensemble du spectre visible de longueur l, du rouge au violet, correspond à la gamme de fréquences allant de l'IR à l'UV. La largeur correspond à un petit intervalle Av. En chauffant la plaque noire de l'appareil, on peut juger de la densité de flux de rayonnement par intervalle de fréquence Av. En déplaçant la plaque le long du spectre, nous constaterons que la majeure partie de l'énergie se trouve dans la partie rouge du spectre, et non dans le jaune-vert, comme cela semble à l'œil nu.
Sur la base des résultats de ces expériences, il est possible de construire une courbe de dépendance de la densité spectrale de l'intensité du rayonnement sur la fréquence. La densité spectrale de l'intensité du rayonnement est déterminée par la température de la plaque, et la fréquence n'est pas difficile à trouver si l'appareil utilisé pour décomposer la lumière est calibré, c'est-à-dire si l'on sait à quelle fréquence correspond une partie donnée du spectre. à.
En traçant le long de l'axe des abscisses les valeurs des fréquences correspondant aux milieux des intervalles Av, et le long de l'axe des ordonnées la densité spectrale de l'intensité du rayonnement, on obtient un certain nombre de points par lesquels on peut tracer une courbe lisse. Cette courbe donne une représentation visuelle de la répartition de l'énergie et de la partie visible du spectre de l'arc électrique.

Types de spectres.

La composition spectrale du rayonnement provenant de diverses substances est très diversifiée. Mais malgré cela, tous les spectres, comme le montre l'expérience, peuvent être divisés en trois types qui diffèrent les uns des autres.

Spectres continus.

Le spectre solaire ou spectre lumineux de l’arc est continu. Cela signifie que le spectre contient des ondes de toutes longueurs d'onde. Il n’y a aucune interruption dans le spectre et une bande multicolore continue est visible sur l’écran du spectrographe.
La distribution de l'énergie sur les fréquences, c'est-à-dire la densité spectrale de l'intensité du rayonnement, est différente selon les corps. Par exemple, un corps avec une surface très noire émet des ondes électromagnétiques de toutes les fréquences, mais la courbe de la densité spectrale de l'intensité du rayonnement en fonction de la fréquence a un maximum à une certaine fréquence. L’énergie du rayonnement aux très basses et très hautes fréquences est négligeable. Avec l’augmentation de la température, la densité spectrale maximale du rayonnement se déplace vers des ondes plus courtes.
Les spectres continus (ou solides), comme le montre l'expérience, sont donnés par des corps à l'état solide ou liquide, ainsi que par des gaz hautement comprimés. Pour obtenir un spectre continu, le corps doit être chauffé à haute température.
La nature du spectre continu et le fait même de son existence sont déterminés non seulement par les propriétés des atomes émetteurs individuels, mais dépendent également dans une large mesure de l'interaction des atomes les uns avec les autres.
Un spectre continu est également produit par le plasma à haute température. Les ondes électromagnétiques sont émises par le plasma principalement lorsque des électrons entrent en collision avec des ions.

Spectres de raies.

Ajoutons un morceau d'amiante humidifié avec une solution de sel de table ordinaire dans la flamme pâle d'un brûleur à gaz. Lorsque vous observez une flamme à travers un spectroscope, une ligne jaune vif clignote sur le fond du spectre continu à peine visible de la flamme. Cette ligne jaune est produite par la vapeur de sodium, qui se forme lorsque les molécules de sel de table sont décomposées dans une flamme. Sur le spectroscope, vous pouvez également voir une palissade de lignes colorées de luminosité variable, séparées par de larges bandes sombres. De tels spectres sont appelés spectres de raies. La présence d'un spectre de raies signifie qu'une substance n'émet de la lumière qu'à certaines longueurs d'onde (plus précisément, dans certains intervalles spectraux très étroits). Chaque ligne a une largeur finie.
Les spectres de raies n'apparaissent que pour les substances à l'état atomique (mais pas pour les substances moléculaires). Dans ce cas, la lumière est émise par des atomes qui n'interagissent pratiquement pas les uns avec les autres. Il s’agit du type de spectre le plus fondamental et le plus basique. La principale propriété des spectres de raies est que les atomes isolés d’un élément chimique donné émettent des séquences de longueurs d’onde strictement définies et non répétitives. Il n'y a pas deux éléments différents qui ont la même séquence de longueurs d'onde. Des bandes spectrales apparaissent à la sortie d'un dispositif spectral à l'emplacement de la longueur d'onde émise par la source. Habituellement, pour observer les spectres de raies, on utilise la lueur de la vapeur d'une substance dans une flamme ou la lueur d'une décharge de gaz dans un tube rempli du gaz étudié.
À mesure que la densité du gaz atomique augmente, les raies spectrales individuelles s'étendent et, finalement, à une densité de gaz très élevée, lorsque l'interaction des atomes devient significative, ces raies se chevauchent pour former un spectre continu.

Spectres rayés.

Le spectre en bandes se compose de bandes individuelles séparées par des espaces sombres. A l'aide d'un très bon appareil spectral, on peut découvrir que chaque bande est un ensemble d'un grand nombre de raies très rapprochées. Contrairement aux spectres linéaires, les spectres rayés ne sont pas créés par des atomes, mais par des molécules qui ne sont pas liées ou faiblement liées les unes aux autres.
Pour observer les spectres moléculaires, ainsi que pour observer les spectres de raies, on utilise généralement la lueur d'une vapeur dans une flamme ou la lueur d'une décharge gazeuse.

Spectres d'émission et d'absorption.

Toutes les substances dont les atomes sont dans un état excité émettent des ondes lumineuses dont l'énergie est répartie d'une certaine manière sur les longueurs d'onde. L'absorption de la lumière par une substance dépend également de la longueur d'onde. Ainsi, le verre rouge transmet les ondes correspondant à la lumière rouge (1,8,10-5 cm) et absorbe toutes les autres.
Si vous faites passer de la lumière blanche à travers un gaz froid et non émetteur, des lignes sombres apparaissent sur le fond du spectre continu de la source. Le gaz absorbe plus intensément la lumière des longueurs d'onde qu'il émet lorsqu'il est fortement chauffé. Les lignes sombres sur fond d'un spectre continu sont des lignes d'absorption qui forment ensemble un spectre d'absorption.
Il existe des spectres d'émission continus, linéaires et rayés et le même nombre de types de spectres d'absorption.

Analyse spectrale et son application.

Il est important de savoir de quoi sont faits les corps qui nous entourent. De nombreuses méthodes ont été inventées pour déterminer leur composition. Mais la composition des étoiles et des galaxies ne peut être déterminée qu’à l’aide d’une analyse spectrale.

La méthode permettant de déterminer la composition qualitative et quantitative d'une substance à partir de son spectre est appelée analyse spectrale. L'analyse spectrale est largement utilisée en exploration minérale pour déterminer la composition chimique des échantillons de minerai. Dans l'industrie, l'analyse spectrale permet de contrôler la composition des alliages et des impuretés introduites dans les métaux pour obtenir des matériaux aux propriétés spécifiées. Les spectres de raies jouent un rôle particulièrement important car leur structure est directement liée à celle de l’atome. Après tout, ces spectres sont créés par des atomes qui ne subissent aucune influence extérieure. Ainsi, en nous familiarisant avec les spectres de raies, nous faisons ainsi le premier pas vers l’étude de la structure des atomes. En observant ces spectres, les scientifiques ont pu « regarder » l’intérieur de l’atome. Ici, l’optique entre en contact étroit avec la physique atomique.
La propriété principale des spectres de raies est que les longueurs d'onde (ou fréquences) du spectre de raies de toute substance dépendent uniquement des propriétés des atomes de cette substance, mais sont totalement indépendantes de la méthode d'excitation de la luminescence des atomes. Les atomes de tout élément chimique produisent un spectre différent de celui de tous les autres éléments : ils sont capables d’émettre un ensemble de longueurs d’onde strictement défini.
C'est la base de l'analyse spectrale - une méthode permettant de déterminer la composition chimique d'une substance à partir de son spectre.

Comme les empreintes digitales humaines, les spectres de raies ont une personnalité unique. Le caractère unique des motifs sur la peau du doigt aide souvent à retrouver le criminel. De la même manière, grâce à l'individualité des spectres, il est possible de déterminer la composition chimique du corps. Grâce à l'analyse spectrale, il est possible de détecter cet élément dans la composition d'une substance complexe, même si sa masse ne dépasse pas 10-10. C'est une méthode très sensible.
L'étude du spectre des raies d'une substance permet de déterminer de quels éléments chimiques elle est constituée et en quelle quantité chaque élément est contenu dans une substance donnée.
La teneur quantitative d'un élément dans l'échantillon étudié est déterminée en comparant l'intensité des raies individuelles du spectre de cet élément avec l'intensité des raies d'un autre élément chimique dont la teneur quantitative dans l'échantillon est connue.
L'analyse quantitative de la composition d'une substance basée sur son spectre est difficile, car la luminosité des raies spectrales dépend non seulement de la masse de la substance, mais également de la méthode d'excitation de la lueur. Ainsi, à basse température, de nombreuses raies spectrales n’apparaissent pas du tout. Cependant, sous réserve des conditions standards d'excitation de la lueur, une analyse spectrale quantitative peut également être réalisée.
Les avantages de l'analyse spectrale sont une sensibilité élevée et une rapidité d'obtention des résultats. Grâce à l'analyse spectrale, il est possible de détecter la présence d'or dans un échantillon pesant 6,10-7 g, avec une masse de seulement 10-8 g. La détermination de la nuance d'acier par analyse spectrale peut être effectuée en quelques dizaines de secondes. .
L'analyse spectrale permet de déterminer la composition chimique des corps célestes situés à des milliards d'années-lumière de la Terre. La composition chimique des atmosphères des planètes et des étoiles, des gaz froids dans l'espace interstellaire est déterminée à partir des spectres d'absorption.
En étudiant les spectres, les scientifiques ont pu déterminer non seulement la composition chimique des corps célestes, mais également leur température. Par le déplacement des raies spectrales, on peut déterminer la vitesse de déplacement d'un corps céleste.

Actuellement, les spectres de tous les atomes ont été déterminés et des tableaux de spectres ont été compilés. Grâce à l'analyse spectrale, de nombreux nouveaux éléments ont été découverts : rubidium, césium, etc. Les éléments recevaient souvent des noms en fonction de la couleur des raies les plus intenses du spectre. Le rubidium produit des lignes rubis rouge foncé. Le mot césium signifie « bleu ciel ». C'est la couleur des principales raies du spectre du césium.
C'est grâce à l'analyse spectrale que la composition chimique du Soleil et des étoiles a été apprise. D'autres méthodes d'analyse sont généralement impossibles ici. Il s’est avéré que les étoiles sont constituées des mêmes éléments chimiques que l’on trouve sur Terre. Il est curieux que l'hélium ait été découvert à l'origine dans le Soleil et ensuite seulement dans l'atmosphère terrestre. Le nom de cet élément rappelle l'histoire de sa découverte : le mot hélium signifie « solaire ».
En raison de sa simplicité et de sa polyvalence, l'analyse spectrale est la principale méthode de surveillance de la composition d'une substance dans la métallurgie, la construction mécanique et l'industrie nucléaire. Grâce à l'analyse spectrale, la composition chimique des minerais et des minéraux est déterminée.
La composition de mélanges complexes, principalement organiques, est analysée par leurs spectres moléculaires.
L'analyse spectrale peut être réalisée non seulement à partir des spectres d'émission, mais également à partir des spectres d'absorption. Ce sont les raies d'absorption dans le spectre du Soleil et des étoiles qui permettent d'étudier la composition chimique de ces corps célestes. La surface très lumineuse du Soleil – la photosphère – produit un spectre continu. L'atmosphère solaire absorbe sélectivement la lumière de la photosphère, ce qui conduit à l'apparition de raies d'absorption sur le fond du spectre continu de la photosphère.
Mais l’atmosphère du Soleil elle-même émet de la lumière. Lors des éclipses solaires, lorsque le disque solaire est recouvert par la Lune, les raies du spectre s'inversent. A la place des raies d'absorption dans le spectre solaire, des raies d'émission clignotent.
En astrophysique, l'analyse spectrale consiste non seulement à déterminer la composition chimique des étoiles, des nuages de gaz, etc., mais aussi à retrouver à partir des spectres de nombreuses autres caractéristiques physiques de ces objets : température, pression, vitesse de déplacement, induction magnétique.
Outre l'astrophysique, l'analyse spectrale est largement utilisée en médecine légale pour enquêter sur les preuves trouvées sur une scène de crime. En outre, l’analyse spectrale en médecine légale est très utile pour identifier l’arme du crime et, de manière générale, révéler certains détails du crime.
L’analyse spectrale est encore plus largement utilisée en médecine. Ici, son application est très grande. Il peut être utilisé pour le diagnostic ainsi que pour identifier des substances étrangères dans le corps humain.
L'analyse spectrale nécessite des instruments spectraux spéciaux, que nous examinerons plus loin.

Appareils spectraux.

Pour une étude précise des spectres, des dispositifs aussi simples qu'une fente étroite limitant le faisceau lumineux et un prisme ne suffisent plus. Il faut des instruments qui fournissent un spectre clair, c'est-à-dire des instruments capables de bien séparer les ondes de différentes longueurs et qui ne permettent pas aux différentes parties du spectre de se chevaucher. De tels dispositifs sont appelés dispositifs spectraux. Le plus souvent, la partie principale de l'appareil spectral est un prisme ou un réseau de diffraction.
Considérons le schéma de conception d'un appareil spectral à prisme. Le rayonnement étudié pénètre d’abord dans une partie de l’appareil appelée collimateur. Le collimateur est un tube à une extrémité duquel se trouve un écran avec une fente étroite et à l'autre une lentille collectrice. La fente est à la distance focale de l'objectif. Par conséquent, un faisceau lumineux divergent incident sur la lentille depuis la fente en sort sous la forme d'un faisceau parallèle et tombe sur le prisme.
Étant donné que différentes fréquences correspondent à différents indices de réfraction, des faisceaux parallèles dont la direction ne coïncide pas émergent du prisme. Ils tombent sur l'objectif. A la focale de cet objectif se trouve un écran - verre dépoli ou plaque photographique. L'objectif concentre des faisceaux de rayons parallèles sur l'écran et, au lieu d'une image de la fente, toute une série d'images est obtenue. Chaque fréquence (intervalle spectral étroit) possède sa propre image. Toutes ces images forment ensemble un spectre.
L'appareil décrit s'appelle un spectrographe. Si, au lieu d'une deuxième lentille et d'un deuxième écran, un télescope est utilisé pour observer visuellement les spectres, alors l'appareil est appelé spectroscope. Les prismes et autres parties des dispositifs spectraux ne sont pas nécessairement en verre. Au lieu du verre, des matériaux transparents tels que le quartz, le sel gemme, etc. sont également utilisés.

L'émission d'ondes électromagnétiques par les corps (lueur des corps) peut être réalisée grâce à différents types d'énergie. Le plus courant est le rayonnement thermique, c'est-à-dire l'émission d'ondes électromagnétiques due à l'énergie interne des corps. Tous les autres types de luminescence, excités par tout type d'énergie, sauf interne (thermique), sont réunis sous le nom général de « luminescence ».

Le phosphore qui s'oxyde dans l'air brille en raison de l'énergie libérée lors de la transformation chimique. Ce type de lueur est appelé chimiluminescence. La lueur qui apparaît dans les gaz et les solides sous l'influence d'un champ électrique est appelée électroluminescence. La lueur des solides provoquée par le bombardement d’électrons est appelée cathodoluminescence. La lueur excitée par le rayonnement électromagnétique absorbé par un corps est appelée photoluminescence.

Le rayonnement thermique se produit à n'importe quelle température, mais à basse température, presque seules des ondes électromagnétiques longues (infrarouges) sont émises.

Entourons le corps émetteur d'une coque à surface parfaitement réfléchissante (Fig. 1.1).

Retirez l'air de la coque. Le rayonnement réfléchi par la coque, tombant sur le corps, est absorbé par celui-ci (partiellement ou totalement). Par conséquent, il y aura un échange continu d’énergie entre le corps et le rayonnement remplissant la coque. Si la répartition de l’énergie entre le corps et le rayonnement reste inchangée pour chaque longueur d’onde, l’état du système corps-rayonnement sera en équilibre. L'expérience montre que le seul type de rayonnement pouvant être en équilibre avec les corps rayonnants est le rayonnement thermique.

Tous les autres types de rayonnement s’avèrent hors équilibre.

La capacité du rayonnement thermique à être en équilibre avec les corps rayonnants est due au fait que son intensité augmente avec l'augmentation de la température. Supposons que l'équilibre entre le corps et le rayonnement soit perturbé et que le corps émette plus d'énergie qu'il n'en absorbe. Ensuite, l'énergie interne du corps diminuera, ce qui entraînera une diminution de la température. Cela entraînera à son tour une diminution de la quantité d’énergie émise par le corps. La température corporelle diminuera jusqu’à ce que la quantité d’énergie émise par le corps soit égale à la quantité d’énergie absorbée. Si l’équilibre est perturbé dans l’autre sens, c’est-à-dire si la quantité d’énergie émise est inférieure à celle absorbée, la température corporelle augmentera jusqu’à ce que l’équilibre soit rétabli. Ainsi, le déséquilibre du système corps-radiation provoque l'émergence de processus qui rétablissent l'équilibre.

La situation est différente dans le cas de la luminescence. Démontrons cela en utilisant l'exemple de la chimiluminescence. Pendant que se produit la réaction chimique provoquant le rayonnement, le corps rayonnant s’éloigne de plus en plus de son état d’origine. L'absorption du rayonnement par un corps ne changera pas la direction de la réaction, mais conduira au contraire à une réaction plus rapide (en raison de l'échauffement) dans la direction d'origine. L'équilibre ne sera établi que lorsque la totalité de l'approvisionnement en substances réactives sera consommée et que la lueur provoquée par les processus chimiques sera remplacée par un rayonnement thermique.

Ainsi, de tous les types de rayonnement, seul le rayonnement thermique peut être en équilibre. Les lois de la thermodynamique s'appliquent aux états et aux processus d'équilibre. Le rayonnement thermique doit donc obéir à certaines lois générales découlant des principes de la thermodynamique. Nous allons maintenant passer à l'examen de ces modèles.