Номер 5, страница 248 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Подумайте, почему хемилюминесценция — неравновесное излучение.

Чтобы понять, почему хемилюминесценция является неравновесным излучением, необходимо сначала определить, что такое равновесное излучение.

Равновесное (тепловое) излучение — это электромагнитное излучение, испускаемое телом, находящимся в состоянии термодинамического равновесия со своим окружением. Основные характеристики такого излучения (его интенсивность и спектральный состав) зависят исключительно от температуры тела. Классическим примером является излучение абсолютно черного тела, описываемое законом Планка. Интенсивность теплового излучения резко возрастает с повышением температуры (согласно закону Стефана-Больцмана, мощность излучения пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры: $P \sim T^4$).

Хемилюминесценция, в свою очередь, представляет собой испускание света (часто называемого «холодным светом») в результате протекания химической реакции. Энергия, необходимая для испускания фотонов, черпается не из тепловой энергии системы, а непосредственно из энергии, выделяющейся в ходе химического превращения.

Ключевые отличия хемилюминесценции от равновесного излучения, доказывающие ее неравновесную природу, можно свести к нескольким пунктам.

Во-первых, различен источник энергии. В хемилюминесценции энергия для возбуждения молекул, которые затем испускают свет, поставляется экзотермической химической реакцией. В равновесном излучении источником энергии является тепловое движение атомов и молекул тела.

Во-вторых, принципиально разная температурная зависимость. Хемилюминесценция может происходить при очень низких температурах, например, при комнатной (как у светлячков или в химических световых палочках). Интенсивность свечения зависит от скорости реакции, а не напрямую от температуры системы, как в случае теплового излучения. Тело, испускающее свет за счет хемилюминесценции, может оставаться холодным.

В-третьих, отличается спектр излучения. Спектр хемилюминесценции не является непрерывным и не соответствует спектру излучения абсолютно черного тела при данной температуре. Он представляет собой линейчатый или полосатый спектр, характерный для конкретных электронных переходов в молекуле продукта реакции, которая образуется в возбужденном состоянии. Этот спектр отражает структуру энергетических уровней конкретного вещества, а не тепловое состояние всей системы.

Наконец, различно само состояние системы. Тепловое излучение характерно для систем, находящихся в термодинамическом равновесии. Хемилюминесценция, напротив, является продуктом неравновесного процесса. В ходе химической реакции создается избыточная, по сравнению с равновесной (описываемой распределением Больцмана), концентрация молекул в возбужденном электронном состоянии. Система стремится вернуться в равновесие, и один из путей релаксации — это испускание фотонов. Таким образом, само свечение является следствием отклонения системы от состояния термодинамического равновесия.

Таким образом, хемилюминесценция называется неравновесным излучением потому, что ее возникновение и характеристики определяются не температурой тела и состоянием термодинамического равновесия, а спецификой химической реакции, создающей неравновесную концентрацию возбужденных частиц.

Ответ: Хемилюминесценция является неравновесным излучением, так как источником энергии для испускания света служит химическая реакция, а не тепловая энергия тела. В результате реакции создается неравновесная (избыточная) концентрация электронно-возбужденных молекул. Спектр такого излучения не зависит от температуры системы и не описывается законами теплового излучения (законом Планка), а определяется строением конкретных молекул, участвующих в процессе. Это "холодное свечение" может происходить при температурах, при которых тепловое излучение в видимой области спектра практически отсутствует.