Садовского эффект самодиффузия самоиндукция

Коэфф,  явл. хар-кой поглощающей способности определяемого компонен­та для данной частоты излучения. Важное условие успешного проведе­ния количеств. МСА — независимость  от с и постоянство  в измеряемом интервале частот, определяемом шири­ной щели спектрофотометра. МСА по спектрам поглощения проводят преим. для жидкостей и р-ров, для газов он значительно усложняется.

В практич. МСА обычно измеряют т. н. оптич. плотность D:

D = lnI₀/I=cl.

Если смесь состоит из n в-в, не реаги­рующих друг с другом, то оптич. плотность смеси на частоте v адди­тивна: D=ⁿ_i=1D_iv. Это позволяет проводить полный или частичный ана­лиз многокомпонентных смесей. За­дача в этом случае сводится к изме­рению значений оптич. плотности в m точках спектра смеси (mn) и решения получаемой системы ур-ний:

D_k=ⁿ_i=1D_ki.

Для количеств. МСА обычно поль­зуются спектрофотометрами, позволяющими производить измерения I(v) в сравнительно широком интервале v. Если полоса поглощения исследуемого в-ва достаточно изолирована и свободна от наложения полос др. ком­понентов смеси, исследуемый спектр. участок можно выделить, напр., при помощи интерференц. светофильтра. На его основе конструируют спец. анализаторы, используемые в про­мышленности.

709

При количеств. MCA по спектрам КРС чаще всего интенсивность линий определяемого компонента смеси срав­нивают с интенсивностью нек-рой ли­нии стандартного в-ва, измеренной в тех же условиях (метод внеш. стан­дарта). В др. случаях стандартное в-во добавляют к исследуемому в определ. кол-ве (метод внутр. стандарта).

Особое значение имеет флуоресцентный анализ с применением техники замороженных р-ров в спец. раство­рителях, напр. в парафинах (Шпольского эффект). Благодаря исключи­тельно малой ширине спектр. линий в этом случае удаётся достичь высокой пороговой чувствительности обнару­жения нек-рых многоатомных ароматич. соединений (~ 10^-11 г/см³).

•Чулановский В. М., Введе­ние в молекулярный спектральный анализ, 2 изд., М.— Л., 1951; Беллами Л., Инфракрасные спектры сложных молекул, 2 изд., М., 1963; Применение спектроскопии в химии, под ред. В. Веста, пер. с англ., М., 1959; Определение индивидуального углеводородного состава бензинов прямой гонки комбинированным методом, М., 1959; Юденфред С., Флуоресцентный ана­лиз в биологии и медицине, пер. с англ., М., 1965.

В. Т. Алексанян.

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕНТ­ГЕНОВСКИЙ, элементный анализ в-ва по его рентгеновским спектрам. Качеств. С. а. р. выполняют по спектр. положению характеристич. линий в спектре испускания исследуемого об­разца, его основа — Мозли закон; количеств. С. а. р. осуществляют по интенсивностям этих линий. Мето­дами С. а. р. могут быть определены все элементы с ат. номером Z11 (в нек-рых случаях — и более лёгкие). Порог чувствительности С. а. р. в большинстве случаев ~10^-2—10^-4 %, продолжительность — неск. минут (вместе с подготовкой пробы). С. а. р. не разрушает пробу.

Наиболее распространённый вид С. а. р.— анализ валового состава материалов по их флуоресцентному рентг. излучению — выполняется по относит. интенсивности линий, к-рая измеряется с высокой точностью спект­ральной аппаратурой рентгеновской. Относит. точность количеств. С. а. р. колеблется от 0,3 до 10% в зависи­мости от состава пробы. На интен­сивность аналитич. линии каждого элемента влияют все остальные эле­менты пробы, поэтому одной и той же измеренной интенсивности I_i анали­тич. линии i могут соответствовать

разл. концентрации C₁ С₂, С₃, . . . определяемого элемента (рис.) в за­висимости от наполнителя — состава пробы за исключением определяемого элемента. Вследствие этого т. н. вырождения интенсивности по концентрации С. а. р. возможен лишь на основе общей тео­рии зависимости I_i от концентраций всех n компонентов пробы — системы n ур-ний связи.

С. а. р. валового состава применя­ется на обогатит. фабриках цветной металлургии, для определения потерь металла в шлаках, маркировки спла­вов, силикатного анализа и т. д.

поглощение его излучения в пробе и его флуоресценцию, возбуждаемую тормозной компонентой излучения и характеристич. излучением др. эле­ментов пробы.

Микроанализ применяют при ис­следовании взаимной диффузии 2- и 3-компонентных систем, процессов кристаллизации, локальных флукту­ации состава сплавов и пр.

• Б л о х и н М. А., Методы рентгено-спектральных исследований, М., 1959; Плотников Р. И., Пшеничный Г. А., Флюоресцентный рентгенорадиометрический анализ, М., 1973; Физические основы рентгеноспектрального локального анализа, пер. с англ., М., 1973; Электронно-зондовый микроанализ, пер. с англ., М., 1974; Рентге­нотехника. Справочник, кн. 2, М., 1980; Афонин В. П., Гуничева Т. Н., Рентгеноспектральный флуоресцентный ана­лиз горных пород и минералов, Новосиб., 1977.

СПЕКТРОГРАФ (от спектр и греч. grapho — пишу), спектральный при­бор, в к-ром приёмник излучения ре­гистрирует практически одновременно весь оптич. спектр, развёрнутый в фокальной плоскости оптич. системы. В качестве приёмника излучения в С. служат фотоматериалы, многоэлемент­ные фотоприёмники или электроннооптич. преобразователи. Если регист­рирующее устройство приспособлено для исследования быстро меняющихся по времени спектров, то, в зависимо­сти от конструкции, С. наз. кино­спектрографом, спектрохронографом, хроноспектрографом. См. также Спектральные приборы.

СПЕКТРОМЕТР (от спектр и греч. metreo — измеряю), в широком смыс­ле — устройство для измерения ф-ции распределения нек-рой физ. величины f по параметру х. Ф-цию распределе­ния эл-нов по скоростям измеряет бета-спектрометр, атомов по мас­сам — масс-спектрометр, гамма-квантов по энергиям — гамма-спектро­метр, энергию световых потоков по длинам волн излучения — оптич. спектрометр и т. д. В узком смысле С. наз. спектральные приборы для измерений оптич. спектров f(x) с помощью фотоэлектрич. приёмников излучения.

СПЕКТРОМЕТР ПО ВРЕМЕНИ ПРО­ЛЁТА, прибор для измерения скорости v ч-ц по времени пролёта ими задан­ного расстояния. Измеряется времен­ной интервал между импульсами от двух детекторов частиц (сцинтилляционных, искровых или черенковских счётчиков), ограничивающих т. н. пролётную базу. Для ч-цы с известным импульсом p=mv/(1-v²/c²) (m — мас­са ч-цы), к-рый может быть измерен, напр., магнитным спектрометром, измерение v позволяет определить т, т. е. идентифицировать ч-цу. Если же масса ч-цы известна (напр., протон отдачи), С. по в. п. позволяет измерить её импульс. Разрешающая способность по массе m/m при заданном разре­шении по скорости резко ухудшается с ростом энергии ξ ч-ц: m/m=²(/), =v/c,= ξ/m=(l-²)^1/2

710

При временном разрешении ~10^-10с и пролётной базе l~10²—10³ м можно измерять скорость ч-ц с точностью /=10^-3—10^-4. Хотя газовые черенковские счётчики дают большую точность (/=10^-6), С. по в. п. применять удобнее, если скорости ч-ц лежат в широком диапазоне. Это важно при поисках новых ч-ц. С. по в. п. сыграли важную роль в экспе­риментах на серпуховском ускори­теле, где были обнаружены ядра ан­тигелия и антитрития.

• Методы измерения основных вели­чин ядерной физики, ред.-сост. Люк К. Л. Юан и By Цзянь-Сюн, пер. с англ., М., 1964; Быстродействующая электроника для регистрации ядерных частиц, М., 1970. Л. Г. Ландсберг.

СПЕКТРОМЕТРИЯ, область физики и техники, разрабатывающая теорию и методы измерении спектров. В оптич. диапазоне длин волн С. объединяет разделы прикладной спектроскопии, метрологии и теории линейных систем. С. служит для обоснования выбора принципиальных схем спектр. при­боров и оптимизации методов расчёта. Подробнее см. в ст. Спектральные приборы.

СПЕКТРОСКОПИЯ, раздел физики, посвящённый изучению спектров эл.-магн. излучения. Методами С. ис­следуют уровни энергии атомов, моле­кул и образованных из них макро­скопич. систем, а также квант. пере­ходы между уровнями энергии, что даёт важную информацию о строении и св-вах в-ва. Важнейшие области применения С.— спектральный анализ и астрофизика.

Осн. этапы развития С.— открытие и исследование в нач. 19 в. линий поглощения в солн. спектре (фраунгоферовых линий), установление связи спектров испускания и поглощения (Г. Р. Кирхгоф, 1859) и возникновения на её основе спектр. анализа. С его помощью впервые удалось определить состав астр. объектов — Солнца, звёзд, туманностей. Во 2-й пол. 19 — нач. 20 вв. С. продолжала развиваться как эмпирич. наука, был накоплен огромный эксперим. материал, уста­новлены закономерности в располо­жении спектральных линий и полос. В 1913 Н. Бор объяснил эти закономерности на основе квант. теории, согласно к-рой спектры эл.-магн. из­лучения возникают при квант. пере­ходах между уровнями энергии ат. систем в соответствии с Бора посту­латами. В дальнейшем С. сыграла большую роль в создании квантовой механики и квантовой электродина­мики, к-рые, в свою очередь, стали теор. базой совр. С.

С. делится на области по разл. признакам. По диапазонам длин (или частот) эл.-магн. волн в С. выделяют: радиоспектроскопию, охватывающую область радиоволн; субмиллиметро­вую спектроскопию; микроволновую спектроскопию; оптич. С., изучающую спектры оптические и содержащую инфракрасную спектроскопию, С. ви­димого излучения и ультрафиолето­вую спектроскопию; рентгеновскую спектроскопию и гамма-спектроско­пию. Специфика каждой из этих об­ластей С. основана на особенностях эл.-магн. волн соответствующего диа­пазона и методах получения и ис­следования спектров: в радиоспектро­скопии применяются радиотехн. ме­тоды, в рентгеновской — рентг. ме­тоды получения и исследования спект­ров, в гамма-спектроскопии — эксперим. методы яд. физики, в оптич. С.— оптич. методы в сочетании с методами совр. радиоэлектроники. Ча­сто под термином «С.» понимают лишь оптич. С.

В соответствии с различием кон­кретных эксперим. методов выделяют спец. разделы С.— интерференцион­ную, основанную на применении интер­ферометров (см., напр., Фурье спект­роскопия), вакуумную спектроскопию, лазерную спектроскопию. Одним из разделов ультрафиолетовой С. и рентг. С. явл. фотоэлектронная спектроско­пия.

По типам исследуемых объектов С. разделяют на атомную, изучающую атомные спектры, молекулярную, ис­следующую молекулярные спектры, и С. в-ва в конденсиров. состоянии (в частности, спектроскопию кристал­лов). В соответствии с видами движе­ния в молекуле (электронное, колеба­тельное, вращательное) мол. С. делят на электронную, колебательную и вра­щательную. Аналогично различают электронную и колебательную С. кри­сталлов. В С. атомов, молекул и кристаллов применяют методы опти­ческой, рентгеновской и радиоспект­роскопии.

Особую область исследований пред­ставляет яд. спектроскопия, в к-рую включают гамма-, альфа- и бета-спектроскопии; из них только гамма-спектроскопия относится к С. эл.-магн. излучения.

• См. лит. при ст. Радиоспектроскопия, Ин­фракрасная спектроскопия, Комбинацион­ное рассеяние света, Атомные спектры, Молекулярные спектры, Ультрафиолето­вое излучение, Спектроскопия кристаллов, Рентгеновская спектроскопия.

СПЕКТРОСКОПИЯ КРИСТАЛЛОВ, раздел спектроскопии, посвящённый изучению разл. типов оптич. спект­ров кристаллов для получения инфор­мации об их св-вах и строении. Теор. основой С. к. является квант. теория твёрдого тела.

С. к. исследует структуру спектр. полос и линий, их сдвиг и уширение, поляризацию, временные и др. спектр. хар-ки спектров кристаллов и влияние на них внеш. воздействии: элект­рич. и магн. полей (эффекты Штарка и Зеемана), сжатия и деформаций, темп-ры и др.

С. к. позволяет получать инфор­мацию о системе уровней энергии кристалла, о механизмах вз-ствия света с в-вом, о переносе и преобра­зовании энергии возбуждения в кри­сталле, фотохим. реакциях и фото­проводимости. С помощью С. к. можно также получить данные о структуре крист. решётки, о хар-ре дефектов, в частности примесных центров в кри­сталлах. Она исследует влияние по­верхности кристалла на его спектр, многофотонные процессы при лазер­ном возбуждении и нелинейные эф­фекты в кристаллах (см. Лазерная спектроскопия, Нелинейная спектро­скопия). В С. к. широко используется теория групп, к-рая позволяет учесть св-ва симметрии кристаллов, т. е. установить симметрию волновых функ­ций и найти отбора правила для квант. переходов в кристалле.

На данных С. к. основаны приме­нения кристаллов в качестве люми­нофоров (в частности, в квант. элект­ронике), сцинтилляторов, преобра­зователей света, оптических матери­алов, ячеек для записи информа­ции (см. Кристаллофосфоры). Методы С. к. используются в спектральном анализе.

• См. лит. при ст. Спектры кристаллов.

СПЕКТРОФОТОМЕТР, спектральный прибор, к-рый осуществляет фотометрирование — сравнение измеряемого потока излучения с эталонным (ре­ферентным) для непрерывного или дискр. ряда длин волн излучения. С. обеспечивает отсчёт или автоматич. регистрацию результатов сравнения в соответствующей двумерной шкале: абсцисса — длина волны, ордината — результат фотометрирования на этой длине волны. С. наз. также аналитич. приборы для определения концент­рации элементов и в-в в пробе путём сравнения интенсивностей спектр. ли­ний или полос испускания или по­глощения. Осн. типы С. описаны в ст. Спектральные приборы.

СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ, область фи­зики и техники, объединяющая раз­делы спектрометрии, фотометрии и метрологии и разрабатывающая си­стемы методов и приборов для коли­честв. измерений спектр. коэфф. по­глощения, отражения, излучения, спектр. яркости как хар-к сред, по­крытий, поверхностей, излучателей. Приборы, используемые в С., наз. спектрофотометрами (см. также Спектральные приборы).

СПЕКТРЫ ИСПУСКАНИЯ, спектры оптические, испускаемые источниками света.

СПЕКТРЫ КРИСТАЛЛОВ оптические, спектры поглощения, люминесценции,

711

Уровни энергии кристалла группи­руются в энергетич. зоны (см. Зонная теория). При переходах между зонами (межзонных переходах) возникают широкие спектр. полосы. Длинноволновой край спектр. полосы межзонного, или фундаментального, поглощения может лежать в ИК (по­лупроводники), видимой (кристаллофосфоры) и УФ (диэлектрики, мол. кристаллы) областях спектра.

Поглощение и испускание света при межзонных переходах может проис­ходить без возбуждения колебаний крист. решётки — фононов (прямые переходы) или с участием фононов (непрямые переходы). Показатель по­глощения при прямых межзонных переходах может достигать больших значений (~10⁴—10⁵ см^-1), поэтому фундам. поглощение исследуется в тонких образцах или по спектрам отражения.

При межзонном поглощении света эл-н из валентной зоны переходит в зону проводимости, в валентной зоне при этом образуется дырка; при ре­комбинации эл-на и дырки возникают спектры рекомбинац. люминесценции. Эти процессы ответственны за фото­проводимость кристалла, спектры воз­буждения к-рой, наряду со спектрами поглощения и люминесценции, по­зволяют изучать структуру энергетич. зон кристалла. Кроме процессов рож­дения несвязанных между собой эл-на и дырки, возможны переходы, при к-рых рождаются экситон — эл-н и дырка, связанные кулоновскими си­лами. Экситонные полосы поглощения и люминесценции лежат с длинновол­новой стороны края фундам. погло­щения и смещены от него на величину, соответствующую энергии кулоновского вз-ствия. При комнатной темп-ре экситонные полосы уширены до величины ~10² см^-1. При понижении темп-ры в спектрах проявляется струк­тура, связанная с бесфононными пе­реходами и с переходами с участием конечного числа оптич. фононов. В спектрах экситонов большого радиуса проявляется структура, обусловлен­ная разл. энергетич. состояниями эк­ситона, к-рый можно рассматривать как водородоподобную ч-цу. Экси­тоны с большим дипольным моментом, взаимодействуя со световым полем, образуют светоэкситоны, или поляритоны, и создают поляритонные полосы, к-рые явл. длинноволновыми продол­жениями экситонных полос.

Помимо спектр. полос, связанных с электронными переходами в атомах осн. в-ва, в С. к. существуют полосы и линии, связанные с локальными на­рушениями крист. решётки — дефекта­ми (дислокациями, примесями и др.). В энергетич. структуре кристалла мо­гут появляться локализованные уров­ни энергии внутри запрещённой зоны, принадлежащие дефектам крист. ре­шётки. В зависимости от хар-ра про­явления дефекта в С. к. их наз. центрами окраски, центрами люми­несценции или просто примесными центрами.

Все атомы кристалла находятся в поле колеблющихся соседних атомов, поэтому уровни энергии кристалла вследствие динамич. Штарка эффекта уширены (т. н. электрон-фононное уширение). Это уширение уровней (и, следовательно, спектр. полос) од­нородно, время его релаксации ~10^-12 с, а величина при комнатной темп-ре составляет ~10²—10³ см^-1. Только спектры примесных атомов переходных и редкоземельных групп имеют узкие (~10 см^-1) линии по­глощения и люминесценции, т. к. оптич. переходы в этих элементах осуществляются эл-нами внутр. обо­лочек, экранированных от влияния поля соседних атомов. В крист. поле уровни энергии примесного атома расщепляются. По хар-ру расщепле­ния можно судить о симметрии крист. поля. При понижении темп-ры линии люминесценции сужаются, увеличи­вается относит. вероятность чисто электронных переходов (бесфононных; см. Шпольского эффект). В спектрах поглощения проявляется структура, связанная с неодинаковостью поло­жения примесных атомов в разных точках кристалла, т. н. неоднородное уширение, составляющее от долей до сотен см^-1 в зависимости от степени упорядоченности кристалла. Возбуж­дение колебаний ядер решётки также приводит к уширению линий элект­ронных переходов. Если при колеба­ниях решётки наводится дипольный момент, то эти колебания проявля­ются в спектрах ИК поглощения. Колебания, меняющие поляризуемость молекул, проявляются в спектрах КРС. В мол. кристаллах колебат. спектр сохраняет черты колебат. спект­ра молекул, образующих кристалл, в

ионных кристаллах спектр определя­ется св-вами всей решётки.

В спектрах поглощения или рас­сеяния кристаллов, обладающих упо­рядоченной спиновой подрешёткой (напр., антиферромагнетиков), могут проявляться возбуждения магн. дипольного момента (магноны, спиновые волны).

Симметрия крист. поля определяет выделенные направления дипольного момента переходов. Наличие таких направлений проявляется в разл. степени поляризации люминесценции кристаллов и в разл. коэфф. погло­щения света, поляризованного вдоль и перпендикулярно оптич. оси кри­сталла (см. Дихроизм). Изучение С. к. необходимо для установления энер­гетич. структуры кристалла, изучения его строения, наличия примесей и дефектов и т. д. Кристаллофосфоры используются в люминесцентных ис­точниках света, экранах электронных приборов и т. д. Нек-рые из люминесцирующих кристаллов явл. активной средой лазеров.

• Пайнс Д., Элементарные возбуж­дения в твердых телах. М., 1965; М о с с Т., Оптические свойства полупроводников, пер. с англ., М., 1961; Л е в ш и н В. Л., Фото­люминесценция жидких и твердых веществ, М.—Л., 1951; Агранович В. М., Теория экситонов, М., 1968.

СПЕКТРЫ ОПТИЧЕСКИЕ, спектры эл.-магн. излучения в ИК, видимом и УФ диапазонах шкалы электромаг­нитных волн. С. о. разделяют на спектры испускания (наз. также спект­рами излучения, или эмиссионными спектрами), спектры поглощения (аб­сорбционные спектры), рассеяния и отражения. С. о. испускания полу­чаются от источников света при раз­ложении их излучения по дл. волн  спектральными приборами и харак­теризуются функцией f(), дающей распределение энергии испускаемого света в зависимости от К (при этом энергию рассчитывают на нек-рый интервал ). От функции f() можно перейти к функции (), дающей рас­пределение энергии по частотам =c/. С. о. поглощения и рассеяния обычно получаются при прохождении света через в-во с последующим его разло­жением по . С. о. поглощения, рас­сеяния и отражения характеризу­ются долей энергии света каждой дл. волны соответственно поглощённой [k()], рассеянной [()] и отражён­ной [R()]. При рассеянии монохро­матического света дл. волны  спектр комбинационного рассеяния света ха­рактеризуется распределением энер­гии рассеянного света по изменённым дл. волн.

С. о. регистрируют с помощью фотографич. методов, применяют так­же счётчики фотонов для УФ области, термоэлементы и болометры в ИК области и т. д. В видимой области С. о. можно наблюдать визуально.

По виду С. о. разделяют на л и н е й ч а т ы е, состоящие из отдельных спектр. линий, соответствующих дискр.

712

значениям , п о л о с а т ы е, со­стоящие из отдельных полос, каждая из к-рых охватывает нек-рый ин­тервал , и с п л о ш н ы е (н е п р е р ы в н ы е), охватывающие ши­рокий диапазон . Строго говоря, отдельная спектр. линия также не соответствует вполне определённому значению , а всегда имеет конечную ширину, характеризуемую нек-рым интервалом , (см. Ширина спект­ральных линий).

Вид С. о. зависит от состояния в-ва. Если при заданной темп-ре в-во находится в состоянии термодина­мич. равновесия с излучением (см. Тепловое излучение), оно испускает сплошной спектр, распределение энер­гии в к-ром по  (или по ) даётся Планка законом излучения. Обычно термодинамич. равновесие излучения с в-вом отсутствует, и С. о. могут иметь самый разл. вид. В частности, для атомов характерны линейчатые С. о., возникающие при квант. пере­ходах между электронными уровнями энергии (см. Атомные спектры); для простейших молекул типичны поло­сатые спектры, возникающие при пе­реходах между электронными, коле­бат. и вращат. уровнями энергии (см. Молекулярные спектры).

Различным оптич. диапазонам  (и v) соответствуют разл. энергии фотонов h=ξ₁-ξ₂ (ξ₁ и ξ₂ — энергии уровней, между к-рыми происходит переход). В табл. приведены для трёх диапазонов эл.-магн. волн примерные интервалы , v, волновых чисел /c, энергий фотонов h, а также темп-р излучения Т, характеризующих энер­гию фотонов согласно соотношению kT=h (k — Больцмана постоянная). С. о. широко применяются для ис­следования строения и состава в-ва (см. Спектроскопия, Спектральный анализ).

•Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики); Фриш С. Э., Оптические спектры атомов, М.—Л., 1963.