6.9 Proč objekty absorbují tak, jak absorbují?

21 října, 2021
| Žádné komentáře

6.9 Proč objekty absorbují tak, jak absorbují?

Amosféra absorbuje značné množství záření v infračervené oblasti, ale poměrně málo ve viditelné oblasti. Také vidíme, že plyny silně absorbují v některých vlnových délkách a v jiných ne. Proč tomu tak je?

Chceme-li odpovědět na tuto otázku, musíme se podívat na konfigurace elektronů, které se přibližují kolem atomů a molekul. Před více než 100 lety začali vědci používat hranoly k rozptylování světla ze Slunce a z plamenů obsahujících různé prvky. Zatímco slunce dávalo barvy duhy, plameny měly světlo ve velmi výrazných liniích nebo pásech. Tato záhada byla konečně vyřešena před o něco více než 100 lety vynálezem kvantové mechaniky, která v podstatě říká, že elektrony přibližující se kolem atomů a molekul a vibrace a rotace molekul mohou mít pouze diskrétní energie, které se řídí pravidly zachování momentu hybnosti.

Ledník v zátoce obklopené horami. Ledovec má modrou barvu.

Ledovec Perito Moreno Opálový ledovec v Argentině. Modrá barva je výsledkem selektivní absorpce záření s vlnovou délkou na červeném konci viditelného spektra. Na obrázku níže, který ukazuje závislost absorpce na vlnové délce různými molekulami, je vidět, že vodní pára má absorpci v červené části viditelného spektra, která začíná přibližně na vlnové délce 600 nm (0,6 µm).
Kredit: Dominic Alves via flickr

Následující seznam s odrážkami je rychlokurzem absorpce elektrony v atomech a molekulách. Podívejte se na obrázek pod rámečkem.

Crash kurz:

  • Energie molekuly je součtem energie související s polohou elektronů vzhledem k jejich stabilním základním elektronickým stavům, molekulových vibrací a molekulové rotace.
  • Absorpce nastává, když energie fotonu odpovídá rozdílu mezi dvěma energetickými hladinami v molekule, ΔE = Efinal – Einitial = hc/λ.
  • Pravidla daná zachováním momentu hybnosti a elektronového spinu určují, které přechody mezi energetickými hladinami jsou přípustné.
  • Množství absorpce, nazývané jednoduše absorpční průřez, σ, vychází z mnoha faktorů, ale výrazně se liší od molekuly k molekule a od přechodu k přechodu. Průřez má rozměry plochy a běžně má jednotky cm2.
  • Elektronické přechody nastávají, když elektrony skutečně přeskočí na jiné dráhy kolem jader. Mají energii, která odpovídá záření (tj. fotonům) v ultrafialové až viditelné vlnové délce.
  • Vibrační přechody nastávají, když molekula vibruje na jiné frekvenci nebo jiným způsobem. Diatomické molekuly (např. O2 a N2) mohou vibrovat pouze jedním způsobem – tam a zpět podél chemické vazby, která je spojuje. Složitější molekuly (např. H2O a CO2) však mohou vibrovat nejen tak, že jádra směřují k sobě a od sebe, ale také ohybem ve třech směrech. Tyto vibrační přechody doprovázené pohyby, které kombinují vibrace a rotaci, mají energie odpovídající blízkému a střednímu infračervenému záření (tj. fotonům).
  • Rotační přechody nastávají, když molekula mění rychlost své rotace. Tyto přechody mají energie ekvivalentní záření (tj, fotonům) ve vzdálené infračervené oblasti až po vlnové délky rádiových vln.
  • Translační energie molekul v zemské atmosféře, ~kT, jsou obecně o něco větší než energie potřebná k přechodu z jedné rotační hladiny na druhou, 10-100krát menší než energie potřebná k přechodu z jedné vibrační hladiny na druhou a stovky až tisícekrát menší než energie potřebná k přechodu z jedné elektronické hladiny na druhou.
  • Již jsme viděli, že některé molekuly a atomy mají větší kinetickou energii než jiné. Všechny molekuly s kinetickou energií větší, než je rozdíl energií mezi rotačními hladinami, se mohou srazit s molekulou a dodat jí dostatek rotační energie pro přechod na vyšší rotační hladinu. Vidíme tedy, že rotační energie je rozdělena mezi mnoho rotačních hladin, ale vibrační a elektronické hladiny jsou obvykle základními (s nejnižší energií) hladinami.
  • Atomy nemají vibrace a rotace podobné molekulám, protože mají pouze jedno jádro, takže jejich spektra se skládají pouze z elektronických přechodů.
  • Ostrý přechod z jedné diskrétní hladiny do druhé, který se ve spektru jeví jako čára, se vyskytuje v úzkém rozmezí energií kolem rozdílu energií přechodu. Výsledné záření se vyskytuje v úzkém pásmu vlnových délek kolem centrální vlnové délky čáry. Šířka této čáry (měřená v polovině maximální výšky čáry) se nazývá šířka čáry.
  • Tato přirozená šířka čáry může být rozšířena pohybem molekuly, což se nazývá Dopplerovo rozšíření, nebo srážkami, což se nazývá tlakové rozšíření.
  • Vysoko v atmosféře je Dopplerovo rozšíření dominantní, protože tlak je nízký, ale níže v atmosféře se tlakové rozšíření stává dominantním, i když Dopplerovo rozšíření také roste. Absorpční čáry jsou tedy širší v blízkosti zemského povrchu než výše v atmosféře.

    • Absorpční průřez, σ, se výrazně mění v závislosti na šířce absorpční čáry. Je tedy možné, aby bylo veškeré záření pohlceno uprostřed čáry, ale jen velmi málo pohlceno v „křídlech“.

    energetický diagram hladin. Malá rotační část většího rozsahu vibrací, v mnohem větší skupině elektronických s vyšší maximální energií

    Diagram energetických hladin pro molekulu. Čím větší je vzdálenost mezi čarami, tím větší je energie absorbovaného nebo emitovaného fotonu, a tím kratší je vlnová délka fotonu. Ne všechny přechody jsou povoleny mezi všemi hladinami kvůli zachování momentu hybnosti.
    Kredit: UC Davis chemwiki

    Fyzikální výklad

    Atomy a molekuly mohou absorbovat záření (foton) pouze tehdy, pokud jejich struktura má energetický rozdíl mezi hladinami, který odpovídá energii fotonu (hc/λ). V opačném případě atom nebo molekula světlo nepohltí. Jakmile molekula absorbuje foton, může buď ztratit foton a vrátit se na svou původní nižší energetickou hladinu, nebo se může rozpadnout, pokud je energie fotonu větší než energie chemické vazby, která drží molekulu pohromadě, nebo se může srazit s jinými molekulami, například N2 nebo O2, a předat jim energii, zatímco se vrátí na svou nižší energetickou hladinu. Ke srážkám dochází často, takže energie pohlceného fotonu je často převedena na tepelnou energii.

    nejvyšší intenzita ve viditelné oblasti, druhý menší pík v infračervené oblasti. % absorpce vyšší v UV a menší v infračervené oblasti

    Vypočítané sluneční a zemské záření v atmosféře. Pro absorpci se uvažují tyto plyny: vodní pára, oxid uhličitý, kyslík, ozón a oxid dusný. Rozptyl je způsoben všemi plyny (ale hlavně dusíkem a kyslíkem). Horní panel ukazuje klesající sluneční záření na zemském povrchu (černá čára s červenou výplní) a vystupující pozemské záření na vrcholu atmosféry (černá čára s modrou výplní). V horním panelu jsou také zobrazeny Planckovy spektrální zářivosti pro reprezentativní sluneční a pozemské teploty. Všimněte si, že všechny křivky v horním panelu byly škálovány tak, aby vrcholové hodnoty byly přibližně stejné. Prostřední panel ukazuje celkovou extinkci (v důsledku absorpce a rozptylu) plynů v atmosféře. Spodní panel ukazuje pohltivost jednotlivých plynů a rozptyl.

    Všimněte si, že infračervené záření vycházející ze Země je omezeno na několik atmosférických „oken“ a záření na všech ostatních vlnových délkách je silně pohlcováno především vodní párou, ale také oxidem uhličitým, ozonem, oxidem dusným, metanem a dalšími stopovějšími plyny, které nejsou na obrázku výše zobrazeny.

    .

    Articles