Valguse kiirgumine ja neeldumine (1)

Valguse kiirgumine ja neeldumine

31.03.2009
Martin Terras
9 A
Valgus kiirgub ja neeldub aatomis. Valguslaine muutuv elektriväli sunnib aatomis olevat elektroni võnkuma, suurendades nii selle energiat. See tähendab, et valgus neeldus aatomis: valguslaine energia muutus elektroni ja tuuma vastastikmõju energiaks . Kui elektroni energia suureneb, siis elektron läheb tuumast kaugemale. Seda protsessi nimetatakse ergastamiseks. Siin on analoogia mehaanilise potentsiaalse energiaga: mida suurem on keha potentsiaalne energia, seda kõrgemal Maa kohal keha asub. Selleks, et keha tõsta mingile kõrgusele, peavad välisjõud tööd tegema. Aatomis olevat elektroni võib võrrelda ka sulguriga uksega. Kui ukse lahti lükkame, teeme tööd ja suurendame ukse energiat (analoogia valguse neeldumisega). Aga kui me ukse lahti laseme, siis see liigub sulguri toimel tasakaaluasendisse tagasi. Nii juhtub ka elektroniga, ka see liigub varsti oma esialgsele kohale, mis asus tuumale lähemal, tagasi. Selle protsessi käigus kiiratakse välja uus valguslaine. Järelikult valgus kiirgub ja neeldub aatomites .
Aga elektron ei saa asuda suvalisel kaugusel tuumast, vaid ainult kindlail kaugustel Sellepärast ei neela ja kiirga ka aatomid suvalise värvusega valgust.
See aitab mõista ka kehade värvusi. Tahked ained ja vedelikud võivad neelata osa neile langevaist valguslainetest ja muuta nende lainete energia keha siseenergiaks .
Ei neeldu seda värvi valguslained , millist värvi keha ise on valges valguses. Need lained peegelduvad tagasi. Sellist peegeldumist nimetatakse valikuliseks ehk selektiivseks peegeldumiseks.
Üldiselt võib öelda, et kui aine aatomites elektronid saavad sooritada igasuguseid üleminekuid, millega kaasneb valguse kiirgumine, siis on keha valge. Kui aine aatomites elektronid ei saa sooritada kõik üleminekuid, millega kaasneb valguse kiirgumine, siis on keha värviline. Kui aine aatomites elektronid ei saa sooritada ühtegi üleminekut, millega kaasneb valguse kiirgumine, siis on keha must.
Gaasides toimub valguse kiirgumine teisiti kui tahketes ainetes. Näiteks Na-lambis (kollane tänavalatern) tekib valgus sellepärast, et aatomid saavad energiat põrgetel elektrivoolu tekitavatelt elektronidelt ja ioonidelt. Selle tulemusena elektronid ergastuvad ja tekib kiirgus. Aatomid asuvad gaasis üksteisest kaugel ja saavad teistest segamatult kiirata. Valgus tekib siis, kui elektron tuleb tuumale lähemale. Kuna elektron saab olla ainult mingitel kindlatel kaugustel tuumast, siis on ka spektris ainult mingite kindlate värvustega jooned, millele vastab kindel lainepikkus. Hõõguvad gaasid annavad joonspektri, mis lubab aineid kindlaks teha. Ainete määramist nende spektrite järgi nimetatakse spektraalanalüüsiks.
Tahkes aines saavad aatomites olevad elektronid energiat teisiti. Näiteks hõõglambis voolu toimel eralduv soojus paneb ioonid kiiremini võnkuma (suureneb ioonide energia). Osa sellest energiast antakse elektronidele, mis eemalduvad tuumast ja kui nad tulevad tuumale lähemale, siis kiirgubki valgus.
Miks nüüd ei kiirga aatomid kindla värvusega valgusi? Kiirgab küll, ainult nüüd pole aatomid isoleeritud, st pole üksteisest sõltumatud. Mida see tähendab? See tähendab, et elektronide energianivood ei ole igas aatomis täpselt sellised nagu nad üksikus, “normaalses” aatomis. Teiste aatomite elektronide laengud nihutavad natuke vaadeldava elektroni kaugust tuumast ja see muudab elektroni energiat. Miks? Sest elektronid on laetud osakesed. Me teame, et kui laetud kehale lähendada teine sama laenguga keha, siis tekib nende vahel tõukejõud ja kehad nihkuvad teineteisest kaugemale. Nii on ka elektronidega aatomis: nende kaugus tuumast muutub teiste aatomite toimel. Kui aga muutub kaugus tuumast, muutub ka elektroni energia. Asja teeb veel keerulisemaks soojusliikumine : naaberaatomid lähenevad ja kaugenevad juhuslikult ja kogu aeg! Ja elektron võib ergastatud olekus minna üle hoopis teisele aatomile. Ja kuna aatomeid on metalli 1 cm3 ca 1023 tükki, siis kiirgub väga palju erineva lainepikkusega valguslaineid, mis annavad pideva spektri. Pidev spekter on omane hõõguvatele vedelikele ja tahkistele.