光化学

进一步的例子包括吸热反应光化学反应。在这种情况下,更多的吸热反应所必需的能源进行是太阳辐射,可以打破化学键的大气物种。在本书中我们将考虑只有一个光化学过程:photodissociation.1

太阳辐射物理复习的电磁波。电磁辐射有一个双波粒自然。这意味着电磁辐射展品的波动性和粒子性。在其波形电磁辐射可以被认为是一群叠加波有时被称为一个传播在真空光速c = 2.998 x 108 s - 1独立的波长。每一波在这个整体可以被视为一个简单的正弦函数(参见图8.1)与一个特定的波长,频率和振幅。波长,X,波的连续两个峰之间的距离。X的单位是米。f波的频率,周期的数量通过一个观察者。频率的单位是赫兹(1赫兹是每秒振荡)。单个波的波长和频率的乘积等于光速(速度距离除以时间):c = X X f。从这个方程可以看出,波高频率更短的波长、电波频率较低的波长更长。

辐射和原子或分子相互作用时,它只能吸收或发射的某些离散的能量的。换句话说,电磁辐射是量子化的。海浪可能被认为是一束粒子称为光子携带不连续或包的能量。一个光子的能量

1有兴趣的读者被称为基本物理化学的大气科学由彼得·v·霍布斯(2000)的更多信息在光化学反应。

102年

可见(400 - 700海里)

伽马射线

x射线

紫外线

红外

微波

无线电波

10 14 = 10-5nm 10 - 13 = 10 ^ nm 12 = 10-3nm 10 - 11 = 10-2nm 10 - 10 = 10 - 1 - 9 = 1 nm换= 10 nm 10 - 7 = 100海里10 - 6 = 1结果|我的纯= 10 4 |我打败= 100 | im„记三分= 1毫米

图8.2电磁波谱。

频率f是

h是普朗克常数,h = 6.62 x 10 -34 J s。如果我们表达f的x获得hc

因此,波长越短(频率更高)光子更精力充沛。伽马射线的电磁波谱,从无线电波是如图8.2所示。最精力充沛的光子伽马射线。随着一个垂直的频谱从伽马射线到无线电波,能量减小,频率,波长增加。一个窄带光谱对应的可见光。光子在可见范围内(大约400 - 700 nm)可以检测到一个人类的眼睛。紫外线辐射的波长要短(频率)高于可见光谱的一部分。

描述辐射穿透大气层是很有用的介绍能通量的概念。单位面积上的能量通量(能量传递垂直梁,每单位时间)是由

在n0光子的数量单位体积(数密度在气体)。太阳光子的能量流顶部的气氛是1370 W m - 2。这个参数被称为太阳常数。太阳能通过大气传播的光子可以被大气吸收和/或分散选民。考虑波长的光子通量的衰减X由于吸收光子假设正常的发病率为简单起见(太阳是在天顶,头顶(图8.3)。我们表示波长光子能量通量在X作为外汇;它的尺寸是单位面积上的能量,单位时间内,单位波长。如果顶部的大气通量单位波长是外汇(上),在高通量z,外汇(z)所描述的

外汇外汇(上)exp (z) = (- r (z))的垂直阳光衰减。(8.12)

投资策略基金会(上)

图8.3原理图阳光来自头顶的光束衰减的强度用阴影表示。

从辐射传输理论方程如下所示。2拉迪亚指数的系数t称为光学深度:

光学深度t垂直整合列密度成正比f™N (z) dz N浓度的大气物种吸收x z反映了路径的集成光子从大气层的顶端身高z。比例系数称为吸收截面。这个参数描述特定气态物种吸收光子的能力;它以m2(通常在文学cm2)。在实验室可以测量吸收截面。光学深度接近统一时,通量衰减大约三倍(e ~ 2.7)。例如,对于X 240至300海里(紫外线范围)t达到统一由于臭氧吸收大约在此前公里的高度。这意味着太阳能光子在这个范围内被平流层的臭氧吸收,不到达对流层。更短的波长,在175和200海里,辐射吸收氧气在40 - 80公里的高度。在波长大于310纳米,大多数光子渗透对流层和接触表面。如果太阳天顶角0 = 0,然后因为0添加在通量衰减的公式(图8.4):

外汇外汇(上)exp (z) = (- t (z) / cos 0)在天顶角0][衰减。(8.14)

天顶角越大,衰减越强在给定高度z。

紫外线和可见光范围的光子的能量足够大让分子分解。这个过程称为光离解。光离解起着非常重要的作用在对流层和平流层。例如,一个关键的光离解反应的对流层臭氧紫外线辐射:

在高频的符号表示一个光子频率f。这个符号强调由光子的能量频率乘以普朗克常数。对流层臭氧的形成是由于NO2的光离解:

2光束衰减在距离间隔dz的量正比于入射光束的通量和衰减材料的数量区间。结果是dFx = -AFx dz,正比于衰减材料单位体积的数量。积分方程会导致沿着路径指数衰减,称为比尔定律。

图8.4示意图的阳光来自物质的右上角,通过板厚度dz。板的路径长度是dz / cos©,©太阳天顶角。

然后,原子氧会导致臭氧的形成与O2重组:

臭氧层的形成也是由光离解。在平流层,紫外线辐射X < 240海里photodissociates分子氧O2创建原子氧:

臭氧是由原子和分子氧的复合(反应(8.17))。

示例8.3考虑一个氧气分子的光离解,创建两个原子基态氧:

什么是光子能量这个反应需要继续吗?电磁波谱的哪一部分对应于这个能量?

答:首先让我们检查标准焓这个反应:

啊°= 2 x 249.17 - Na高频= 498.34 kJ mol-1 - Na高频(8.20)

NA在哪里阿伏伽德罗常数。找到所需要的最低能量的光子打破一个O2分子我们必须将这个反应的标准焓为零。只有光子能量高频大于最小能量能够打破一个O2分子分开:高频> 498.34 / NA kJ。这个不等式给出了所需的最小频率的价值:f > 498.34 x 103 / (6.022 x 1023 x 6.62 x 10-34) = 12.49 x 1014 Hz,或最大的波长。X < 0.24 x10-6m = 240海里。因此,辐射与X < 240海里,这对应于紫外光谱的一部分,需要反应(8.19)进行。□

我们可以找到一个光子的能量所必需的特定反应焓的继续不检查,如果我们知道离解的化学键的能量。

示例8.4在白天没有在平流层的重要来源是NO2分子的离解:

找到这个反应所需的最大波长的电磁辐射,如果NO2分子的离解的能量是5.05 x 10-19J。的能量分离通常是在electronvolts: 3

1 electronvolt (eV) = 1.6 x 10-19J (8.22)

(这个反应在城市空气污染也很重要,因为它是对流层臭氧的来源)。

答:光子能量高频> 5.05 x 10 - 19 J需要分离的NO2分子。然后,f > 5.05 x 10 - 19 / (6.62 x 10-34) = 7.6 x 1014 Hz。最后,X < 2.998 X 108/7.62 X 1014 = 0.39 X 10-6m = 390海里,这是光谱的可见光和紫外线部分之间的边界。□

继续阅读:热力学方程

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