Возбуждение атома и молекулы - квантовый переход атома или молекулы с более низкого (напр., основного) уровня
энергии на более высокий при поглощении ими фотонов (фотовозбуждение) или при
столкновениях с электронами и др. частицами (возбуждение ударом).
Под действием света относительно
слабой интенсивности возбуждения атомов и молекул происходит в результате поглощения одного фотона
частоты
и энергии
, где -
энергии нач. и конечных уровней энергии атомной системы (с учётом ширины уровней).
Сечение фотопоглощения равно:
где -
длина волны света,
- статистич. веса начальных и конечных уровней энергии; безразмерная величина
- вероятность
спонтанного испускания, приходящаяся на единичный интервал частот, зависящая
от сорта атомов и характеристик уровней энергии
В поле лазерного излучения
возможно возбуждение с одноврем. поглощением неск. фотонов, суммарная энергия
к-рых равна энергии перехода в атоме или молекуле
(см. Многофотонные процессы).
При столкновениях с электронами и др. атомными частицами элементарный акт возбуждения атомов и молекул характеризуется сечением возбуждения , зависящим от строения сталкивающихся частиц и скорости их относит. движения v (см. Столкновения атомные ).Для анализа кинетики возбуждения используется величина, наз. скоростью возбуждения:
где
- функция распределения по скоростям возбуждающих частиц. Кинетич. энергия частиц,
равная энергии перехода в атоме (молекуле), наз. пороговой. При возбуждении
нейтральных атомов (кроме водорода) электронами пороговой энергии
равно нулю. С ростом энергии электронов вплоть до значений порядка 2-5 пороговых
(в зависимости от строения электронных оболочек)
возрастает, а при больших энергиях начинает убывать. На возрастающей части кривой
зависимости
от энергии электронов возможно наличие неск. максимумов, связанных с интерференцией
разл. квантовых состояний атома (см. Интерференция состояний).
Для атома водорода сечения
возбуждения конечны и при пороговых значениях энергии электронов, что связано
с наличием вырождения уровней с разл. значениями орбитального квантового
числа (рис. 1). Для всех положит. ионов сечения а возбуждения также конечны
при пороговых значениях энергии электронов вследствие дальнодействующего взаимодействия
между ионом и внеш. электроном.
Возбуждение атомов в столкновениях
с ионами и др. атомами эффективно при кинетич. энергии сталкивающихся частиц
~100 эВ и выше. При меньших энергиях они крайне малы и в области пороговых энергий
экспериментально не наблюдались. Качеств. подобие сечений межатомных столкновений
сечениям электронно-атомных столкновений реализуется в масштабе скоростей относит.
движения - при скоростях порядка и больше скоростей орбитальных электронов.
При меньших скоростях (т. н. медленных столкновениях) механизм возбуждения объясняется
образованием квазимолекулы в процессе столкновения и переходом электронов между
молекулярными уровнями энергии. На рис. 2 показано сечение возбуждения перехода
1-2 в атоме водорода протонным ударом.
Рис. 1. Сечение возбуждения
перехода 1-2 в атоме водорода при столкновении с электронами в зависимости от
энергии электронов; точки - экспериментальные данные, сплошная кривая - теоретическая.
Возбуждение молекул при
атомных столкновениях характеризуется большим многообразием процессов в связи
с наличием колебат. и вращат. структуры их уровней энергии. Возбуждение электронных
переходов (при усреднении по колебательно-вращат. состояниям) в целом описывается
теми же закономерностями, что и возбуждение атомов. Колебат. и электронно-колебат.
переходы исследованы полнее, чем вращательные.
Рис. 2. Сечение возбуждения
перехода 1-2 в атоме водорода при столкновении с протонами в зависимости от
энергии протонов; точки - экспериментальные данные, сплошная кривая - теоретическая.
В атомно-молекулярных столкновениях
могут возбуждаться обе сталкивающиеся частицы. К образованию атомов (и молекул)
в возбуждённом состоянии может приводить также фотодиссоциация молекул (см.
-Диссоциация молекулы ),перезарядка ионов при столкновении с атомами
[3] и молекулами.
Л. П. Пресняков