СЧЕТЧИКИ НЕВИДИМЫХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ

Как поджигается воздух

Вам приходилось наблюдать ночью грозу, когда молния, с грохотом разрывая облака, ярко освещает голубоватым светом всю окрестность? Что это, воздух вспыхивает так ослепительно ярко? Как он поджигается? Ученые разга­дали эту загадку.

В обычных нормальных условиях атомы газа не излу­чают энергии. Они начинают ее излучать в том случае, когда газ обстреливается потоком быстрых частиц — элек­тронов, альфа-частиц и других, или облучается коротко­волновыми лучами — ультрафиолетовыми, рентгеновскими, гамма-лучами, словом тогда, когда атомам газа каким-либо образом сообщается излишек энергии, которую они отдают в виде излучения.

Если атом обладает этой излишней энергией, то про него говорят, что он «возбужден», а самый акт сообщения ему этой излишней энергии называют процессом возбуждения.

На рубеже XX столетия, в 1900 году, немецкий ученый Макс Планк, изучая законы теплового излучения абсо­лютно черного[3]) тела, пришел к выводу, что энергия рас­пространяется не сплошным, непрерывным потоком, а от­дельными мельчайшими порциями. Эти порции энергии он назвал квантами («квант» и означает «порция»). Кванты светового излучения называют фотонами. Между энергией фотона и длиной волны излучаемого света существует

Простое соотношение: чем больше энергия, тем меньше длина волны этого излучения.

Электроны в атоме могут двигаться не по любым ор­битам, а лишь по определенным — «дозволенным»[4]). При этом если электрон движется по ближайшей к ядру орбите, то он обладает наименьшей энергией, что соответствует наиболее устойчивому состоянию атома. Этот запас энер­гии принимают за начало отсчета, т. е. за нуль (рис. 4). Если электрону извне сообщается дополнительная энергия, то он переходит на орбиту, более удаленную от ядра. В этом случае принято говорить, что электрон находится на более высоком энергетическом уровне. Характерно, что электрон может воспринять только такое количество энер­гии, какое необходимо для того, чтобы он смог попасть на один из «дозволенных» энергетических уровней. При этом энергию принято выражать в электрон-вольтах (,Эв), то есть в единицах энергии, равных энергии, которую приобретает электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в один вольт.

Электрон может находиться на высоком уровне весьма короткое время, после чего он самопроизвольно переходит на более низкий энергетический уровень. При этом изли­шек энергии излучается в пространство в виде фотона света определенной длины волны. Величина энергии фо­тона, а следовательно, и длина волны света соответствуют разности энергетических уровней. Время, в течение ко­торого электрон находится на более высоком энергетиче­ском уровне, принято называть «временем жизни» атома в возбужденном состоянии. Это время у большинства ато­мов примерно равно 0,000000 01 секунды (10"8сек.).

«Дозволенных» энергетических уровней у электрона в атоме может существовать большое число.

Рассмотрим для примера процесс свечения возбужденных атомов. Пусть это будут пары лития. Известно, что атом лития имеет два электрона на энергетическом уровне Is (К-Оболочка) и один электрон на энергетическом уровне 2S (М-оболочка) (рис. 4). Пусть нам удалось каким-либо способом (например, повышением температуры или электри­ческим разрядом) сообщить электрону, расположенному на J? s-ypoBHe, энергию порядка 3,8 эв. В этом случае электрон перейдет на энергетический уровень 3d. Атом лития ста­новится возбужденным с энергией возбуждения 3,8 эв до уровня 3d. С этого энергетического уровня электрон может вернуться в нормальное состояние (уровень 2S) двумя пу­тями: либо непосредственно на уровень 2S, либо через про­межуточный уровень 2р. При непосредственном переходе на уровень 2S он отдает (излучает) в виде одного фотона всю полученную им энергию (3,8 эв), что соответствует ви­димому фиолетовому свету с длиной волны, равной 3195 ангстрем[5]).

При переходе с уровня 3d на уровень 2р электрон излу­чает часть энергии в виде красного света с длиной волны 6105 А. Так как разность между этими энергетическими уровнями меньше, чем в первом случае, то длина волны света больше. При этом атом еще остается в возбужденном состоянии. При дальнейшем переходе электрона с уровня 2р на уровень 2S «высвечивается» фотон с длиной волны в 6707 А, что соответствует красному свету. Последний тип перехода (через промежуточный уровень 2р) наиболее вероятен. Поэтому возбужденные пары лития будут све­титься красноватым светом.

Аналогичным образом происходит свечение возбужден­ных молнией атомов и молекул газов, входящих в состав воздуха, хотя картина возбуждения и свечения значительно сложнее. Поэтому-то прохождение тока при грозовых раз­рядах сопровождается ярким свечением воздуха.