Ximiya texnologiya fakulteti

1.2 Spektroskopiya usılları analizi hám xarakteristikası

1900-jılda Plank nurlanıwdıń kvant teoriyasın ilgeri surdi. 1905-jılda Eynshteyn foton túsinigin kiritip, Plank teoriyasın rawajlandırdı. 186 -jılda Mendeleyev dáwirli sistemasın jarattı. 1896-jılda Bekkerel tárepinen radioaktivlik oylap tabıldı hám aqır-aqıbetinde 191- jılda Rezerford tárepinen atomnıń planetar modeli oylap tabıldı. Bor atom spektrlerindegi nızamlardı kombinasion principti túsindirip beriwge eristi. Dóńgelek orbitalardıń kvantlanģanlıģı tuwrısındaǵı postulatlari kirgizildi. Vodorod atomınıń elektronı dóńgelek orbitada háreket etip atırģanda onıń mexanik háreket muǵdarınıń momenti P ģa kvanlanģan.

-- ge salıstırǵanda mártelengen boladı.
Birinshi dáwir 1666-jıldan baslanıp, yaǵnıy (Nyuton zamanınan) quyash jarıqlıǵın spektrga ajıralıwınan baslanıp, tap 1913 jılda Nils Bor tárepinen kvant túsiniginiń kiritiliwine shekem dep esaplaw múmkin. Bul ortada jutılıw spektrinıń gúzetiliwi (Vallaston hám Fraungofer tárepinen 1802-1814) Zeyman hám Shtark effektleri (1896 -1915) hám basqa sol dáwirdegi jańa ashılıwlardı keltiriw múmkin.
Ulıwma aytqanda bul birinshi dáwirde spektroskopiya tek tájiriybelik pán retinde rawajlandi. Bul dáwirde elementler shıǵarǵan spektrleri sol elementtıń shólkemlesken atom hám molekulalar arasındaǵı baylanısıwdıń mánisi ashıp berilmegen.
Ekinshi dáwirge kelip spektroskopiya kvant teoriyası sıyaqlı bekkem tayanısh teoriyasına iye boldı [6].
1911-jılda Rezerford atomnıń planetar modelin ashqannan keyin, 1913-jılda Nils Bor hám Rezerford tájiriybelerine tıykarlanıp ózine málim bolǵan fizika-ximiya tarawındaǵı birinshi tájiriybelerin ulıwmalastırıp óziniń eki postulatin jarattı. Kvant teoriyasınıń rawajlanıwda orıs ilimpazlarınıń úlesi úlken boldı.
Rojdestvenskiy, Vavilov, Basov, Proxorov, spektroskopiya teoriyasınıń jaratılıwı menen bir qatarda jańa optikalıq hádiyselerdiń 1928-jılda Roman Spektroskopiyasi jaqtılıqtıń kombinasion shashıraw spektri ashıldı. Bul jańa ashılıw elementlar strukturasın úyreniwde jańa qádem boldı.
Házirgi waqıtta zamanagóy spektroskopiya pútkilley kvant teoriyasına súyenedi. Bunıń tiykarında atom hám molekulalardıń ózgesheligin anıqlaytuǵın fundamental kvant nızamları jatadı.
Bordıń birinshi postulatına kóre, atom yamasa molekulalar sisteması ayırım stasionar jaǵdaylarda turaqlı bolıp, bul jaǵdaylarda energiya jılısıwı Yen da diskret, de úzliksiz mániste boladı.

Bul energiyanıń qálegen ózgeriwinde sistema bir stasionar jaǵdaydan ekinshisine sekirip ótedi.
Ekinshi postulatına kóre. Atom yamasa molekula sisteması, bir stasionar jaǵdaydan ekinshi stasionar jaǵdayǵa ótkende jaqtılıq tolqının jutadı yamasa shıǵaradı. Bul ótiwlerde payda bolǵan elektromagnit nurlanıw monoxromatik bolıp, onıń chastotası tómendegi formula menen anıqlanadı (1-súwret).
(2)
Spektroskopiyada energiya júzesi, yamasa energetikalıq jaǵday degen túsinik bar. Bunı tómendegi sùwretde ańsat kórsetiw múmkin. Eń tómengi úst tiykarǵı yamasa normal jaǵday, qalǵanları bolsa oyanǵan jaǵday dep ataladı (2- súwret).

1-súwret 2-súwret
(2) ańlatpaǵa Bordıń chastotalar shárti yamasa nurlanıw menen baylanıslı bolǵan mikroprocessler ushın energiyanıń saqlanıw nızamı dep ataladı.
(1) hám (2) formulalar spektroskopiyanıń tiykarǵı ańlatpaları dep ataladı.
Spektroskopiyanńıń tiykarǵı birlikleri.

1. 
   Tоlqin uzınlıǵı
   

2. 
   Chastotadaǵı 1 sekunddaǵı terbelisler sanı
   

3. 
   Tоlqın sanı birligi [sm^-1]
   

Tolqın sanı dep 1 sm de jaylasqan tolqın uzınlıqları sanına aytıladı. Spektroskopiyada tolqın sanın chastota dep aytıladı.

4. Foton energiyasi ; 1 j=10⁷ erg
h- Plank turaqlısı 6,6310^-34j s teń
Spektroskopiyada tiykarınan energiya birligi sıpatında elektronvolt isletiledi.
1 eV=1,6∙10^-19 Joul [7].

Hár bir spektral sızıq (jutılıw, shıǵarıw hám shashıraw ) óziniń chastotası menen, integral hám spektral intensivligi menen dipolyarizasiya koefficienti menen yarım keńligi menen hám basqa shamaları menen xarakterlenedi.

Spektral sızıqlardıń intensivlikleri ótiw múmkinshiligine baylanıslı. Shama menen E1 hám E2 energiyaler menen xarakterlenetuǵın stasionar jaǵdaylar berilgen bolsın. Bul jaǵdaydaǵı sermolekulalıqtı yamasa molekulalardıń tıǵızlıǵın N1 hám N2 menen belgileymiz. Qandayda dt waqıt ishinde birinshi jaǵdaydan ekinshi jaǵdayǵa energiyanı jutıw menen ótken molekulalardıń sanı tómendegige teń boladı.
(3)



Bul waqıtta jutılģan energiyanıń muģdarı


(4)

(1)-formuladan koeffisiyent

(5)
3-formuladan kórinip turģanınday a₁₂ - dt waqıt ishinde ótgen molekulalar sanın ulıwma molekulalar sanına qatnasın bildiredi yaki molekulalardıń ótiw itimallıģın xarakterleydi.Basqasha aytģanda bir bóleksheni málim waqıtta jutılıwın kórsetedi. Sonday formulalardı dt waqıt ishinde E₂ E₁ halat ushın jazıw múmkin yaģnıy:
(6)



(4) dan
(7)

f₂₁-dt waqıt ishinde 21 jaǵdayǵa ótken molekulalardıń ulıwma molekulalar sanına bolǵan qatnasın ańlatadı yamasa nurlanıw múmkinshiligigin ańlatadı. Oyanǵan molekulalar oyanǵan jaǵdayda da máńgi jasamaydı qandayda bir jol menen tiykarǵı stasionar jaǵdayǵa qaytıp keledi. Sol molekulalardıń qaytıp keliwi menen baylanıslı bolǵan tómendegi hádiyseler bolıwı múmkin [8].

1. Oyanǵan molekulalar sırtqı maydandıń tásirisiz ishki kúshler tásirinde tiykarǵı jaǵdayǵa qaytadı. Bunday ótiwge spontan yamasa óz-ózinen ótiw dep ataladı bul waqıttaǵı nurlanıwǵa spontan nurlanıw dep ataladı.
2. Oyanǵan molekula sırtqı maydan tásirinde qaytıp keliwi múmkin. Bunday ótiwge májbùriy ótiw yamasa májbùriy nurlanıw dep ataladı. Májbùriy nurlanıw teoriyasın birinshi bolıp Eynshteyn 1917- jılda jarattı.
3. Spektroskopiya ushın onsha úlken áhmiyetke iye bolmaǵan nurlanıwsız ótiwler.
Joqarıda aytılǵan ótiwlerdi xarakterlew ushın Eynshteyn óz koefficientlerin kirgizdi. Spontan ótiwlerdi xarakterlew ushın A₂₁-ni kirgizdi. Bul koefficient spontan ótiwler múmkinshiligin xarakterleydi. Májburiy ótiw múmkinshiligi tómendegige teń:


(6)

V12--jutılıw ushın Eynshteyn koefficienti dep ataladı. - sırtqı maydan energiyasın spektral tıǵızlıǵın xarakterleydi.

Tap sonday májburiy nurlanıw múmkinshiligi tómendegige teń:


(8)

V₂₁— Májburiy nurlanıw ushın Eynshteyn koefficienti.

Sonday etip nurlanıwdıń tolıq múmkinshiligin tómendegishe jazıwımız múmkin:


(9)

Eynshteyn koeffisiyentleri A₂₁, V₁₂, V₂₁ arasında baylanıslar bar hám bul baylanıslardan biri tómendegishe:

(10)
lar 1 va 2-stasionar halatlardıń statistik awırlıqlari. A₂₁ hám V₂₁ koeffisiyentleri arasında da baylanıslar bar bul baylanıs tómendegige teń:
A₂₁ - ni mánisin tawıp (8)-ge qoyamız.


(11)

bunnan

boladı . (12)

(11) degi U_v kishi mánislerge iye bolǵandaǵı nurlanıwlar A₂₁-ga baylanıslı, yaǵnıy spontan prosesslarge baylanıslı U_v.-kúshli úlken mániske iye bolǵanda nurlanıwlar májburiy boladı. Mısal ushın lazerlarda boladı.

31- súwret jutılıw hám nurlanıw procesi.
Energetikalıq joqarılıqlardı taǵı bir tiykarǵı parametri olardıń jasaw waqtı yamasa bólekshelerdiń oyanǵan jaǵdayda jasaw waqtı. Spontan nurlanıw sebepli bólekshelerdiń ótiw muǵdarın
(13)
dep jazıwımız múmkin [9]
(-) - belgisi bólekshelerdiń 2-jaǵdayda azayıwın ańlatadı. Bunı waqıt boyınsha integrallasaq.
( 14)
Tap sonday nurlanıw energiyasınıń azayıwı
ge teń (15)
_ teń bolǵan halda oyanǵan jaǵdaydaǵı molekulalar sanı.
(13) hám (14) den usıdan ayqın boladı spontan ótiwler sebepli bóleksheler sanı hám nurlanıw energiyasınıń muǵdarı eksponensial nızam menen ózgeredi. Bóleksheler oyanǵan jaǵdayda jasaytuǵınınıń ortasha waqtın tómendegishe jazıwımız múmkin:
yaki
(16)

( ájayıp integral kórinisine keltirildi).
(15) den usıdan ayqın boladı bólekshelerdiń oyanǵan jaǵdayda jasaw waqtı spontan ótiwler múmkinshiligine keri proporsional eken.
Tap sonday energiya bólistiriliwi ushın
boladı.
Bul waqıtta oyanǵan jaǵdayda bólekshe azayıw grafikası tómendegishe boladı,

yaģnıy, _ye Óziniń fizikalıq mánisi tárepinen oyanǵan jaǵdayda bólekshelerdiń azayıwın ańlatadı. _ye - waqıtta bólekshelerdiń sanı ge teń boladı.
Ádette atomlar yaki malekulalar ushın jasaw dáwiri sekundģa teń boladı.
Eger nurlanıwsız ótiwler múmkinshiligi S_i menen belgilense, ol waqıtta oyanǵan jaǵdayda molekulalardıń ózgeris nizamlıģı
(17)
boladı.
N₂=N₂⁰
Bunnan
(18)
Eger (17) de spontan ótiwler múmkinshiligi júdá kishi bolsa yamasa (A₂₁+C₂₁) 0 umıtılsa, ol waqıtta umıtıladı, yaǵnıy bólekshe oyanǵan jaǵdayda sheksiz waqıt dawamında qalıp ketedi. Bólekshediń oyanǵan jaǵdayda sheksiz qalıp ketiwine metastabil jaǵday dep ataladı.
Metastabil jaǵdaylardı úyreniw lazerlar ushın jumısshı element tańlaw ushın úlken áhmiyetke iye esaplanadı [10].