возбуждение атома и молекулы

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 В. а. и м. 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 В. а. им. 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 - ф-ция 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.

Лит.: Собельман И. И., Введение в теорию атомных спектров, M., 1977; Делоне H. Б., Крайнов В. П., Атом в сильном световом поле, M., 1978; Друкарев Г. Ф., Столкновения электронов с атомами и молекулами, M., 1978; Вайнштейн Л. А., Собельман И. И., Юков E. А., Возбуждение атомов и уширение спектральных линий, M., 1979.

Л. П. Пресняков.

   <<      Предметный указатель      >>