ЛК_ОПТИКА. Курс лекций минск 2007 министерство по чрезвычайным ситуациям республики беларусь

• Название: Курс лекций минск 2007 министерство по чрезвычайным ситуациям республики беларусь
• Дата: 14.04.2021
• Размер: 1.3 Mb.
• Имя файла: ЛК_ОПТИКА.pdf
• Тип: Курс лекций; #194692
• страница: 13 из 15

10.3. Молекулярные спектры
Спектры излучения молекул, в отличие от линейчатых спектров атомов, при наблюдении с помощью спектрального прибора средней разрешающей си- лы представляют собой систему полос. По этой причине спектры молекул на- зывают полосатыми. При использовании прибора большой разрешающей силы обнаруживается, что каждая полоса образована совокупностью большого количества очень близко расположенных линий. Схематическое изображение полосатого спектра приведено на рис. 10.4.
Для наблюдения молекулярных спектров следует, по возможности, огра- ничить воздействие на молекулы других частиц, т.е. наблюдать спектры веще- ства в газообразном состоянии. Возбудить молекулярные спектры можно в пламени горелки или в разных видах электрического разряда. При этом следует избегать слишком сильного возбуждения молекул, поскольку может наступить их распад (диссоциация) и, как следствие, исчезновение молекулярных спек- тров.
Наиболее хорошо исследованы спектры двухатомных молекул. Много- атомные молекулы являются менее прочными образованиями, поэтому возбуж- дение интенсивного спектра излучения многоатомных молекул затруднительно.
По этой причине ограничиваются изучением главным образом спектров погло- щения многоатомных молекул.
Квантовая механика полностью объясняет характер наблюдаемых на опыте молекулярных спектров. Излучение света происходит при переходе мо- лекулы из одного стационарного состояния в другое (с меньшей энергией). В основном изменение энергии молекулы происходит в результате изменения электронной конфигурации, которой соответствует электронная энергия W
е
Однако, при заданной электронной конфигурации, молекулы могут отличаться еще состоянием ядер атомов, образующих молекулу. Ядра могут колебаться и вращаться относительно центра масс молекулы. Эти виды движения обуслав- ливают наличие у молекулы колебательной W
ν
и вращательной W
r
энергии. Все три вида энергии могут принимать лишь определенные квантовые значения.
При сообщении молекуле достаточной энергии она переходит в возбужденное состояние с энергией W
е
+ W
ν
+ W
r
и затем, совершая разрешенный правилами отбора переход в одно из состояний с меньшей энергией, излучает фотон с энергией
h
ν =
∆
W
е
+
∆
W
ν
+
∆
W
r
В квантовой механике доказывается, что
∆
W
е
>>
∆
W
ν
>>
∆
W
r
. Поэтому при сла- бых возбуждениях молекулы изменяется только W
r
, при более сильных W
ν
и лишь при еще более сильных возбуждениях молекулы изменяется ее электрон- ная энергия W
е
Рис. 10.4

112
Наименьшей энергией обладают фотоны, испускаемые при переходах из одних вращательных состояний в другие. При таких переходах
∆
W
е
=
∆
W
ν
= 0, а спектр состоит из ряда равностоящих линий, расположенных в далекой ин- фракрасной области (вращательный спектр). Если же при переходах молекул из одних состояний в другие изменяется и колебательная и вращательная энергия, в инфракрасной области наблюдаются колебательно-вращательные полосы.
Изменение колебательной энергии при этом определяет спектральную область, в которой расположена полоса, а изменение вращательной энергии определяет расстояние между спектральными линиями в пределах полосы. При переходах, сопровождающихся изменением всех трех видов энергии молекул, спектраль- ные полосы сдвигаются в видимую и ультрафиолетовую области спектра. Ана- лиз молекулярных спектров дает возможность оценить моменты инерции моле- кул, взаимное расстояние между ядрами составляющих молекулу атомов, соб- ственные частоты колебаний и теплоту диссоциации молекул на атомы.
10.4. Люминесценция. Спектральный и люминесцентный анализ
Люминесценцией называется свечение тел, избыточное над тепловым из- лучением и имеющее длительность, после устранения причин, вызывающих это свечение, значительно большую периода световых колебаний.
Вызвать люминесцентное свечение тел можно различными способами: ударами быстро движущихся электронов, трением некоторых веществ, механи- ческим сжатием определенных кристаллов, ультразвуковыми волнами в рас- творах ряда веществ и т.д. Свечение вещества при протекании химических ре- акций называют хемилюминесценцией . Примеры хемилюминесценции: свече- ние окиси фосфора, возникающее при окислении фосфора, свечение светлячков и некоторых моллюсков и так далее. Люминесценцию, возникающую при об- лучении различных веществ светом (видимым и ультрафиолетовым), называют фотолюминесценцией.
Тела могут люминесцировать при любой температуре и поэтому люми- несценцию часто называют холодным свечением. Вещества, способные люми- несцировать, называют люминофорами (металлы люминофорами не являются).
По длительности свечения различают два вида люминесценции – флуоресцен- ция и фосфоресценция. Люминесценцию с длительностью порядка 10
–8
– 10
–9
с и менее называют флуоресценцией. Под фосфоресценцией понимают свечение, продолжающееся заметный промежуток времени (от 10
–8
с до нескольких ча- сов) после прекращения возбуждения люминофора.
Все виды люминесцентного свечения обусловлены переходами частиц
(атомов, молекул или ионов) вещества из возбужденных состояний в состояния с меньшими значениями энергии. Различие в длительности люминесценции обусловлено продолжительностью процессов, протекающих между моментом возбуждения частицы вещества и испусканием кванта света. Возбужденная частица может за время

10
–8
с вернуться в основное состояние, испустив при этом фотон с энергией, равной энергии, приобретенной частицей при возбуж-

113 дении. Однако не все переходы с возбужденных уровней на более низкие уров- ни сопровождаются излучением. При столкновениях частицы вещества с дру- гими частицами могут совершаться безызлучательные переходы в состояния с меньшей энергией. Для молекул характерны безызлучательные переходы с из- менением вращательной энергии, которая вследствие их взаимодействия может как уменьшаться, так и возрастать. В результате таких переходов молекула окажется в одном из возбужденных состояний, но с энергией, меньшей или большей энергии, приобретенной при ее возбуждении. Переходя далее в основ- ное состояние, молекула излучает фотон люминесцентного свечения. Люми- несцентное свечение, обусловленное процессами, происходящими в пределах одной частицы, называют свечением дискретных центров.
Излучение люминесцентного света может происходить и за счет так на- зываемого рекомбинационного свечения. Рекомбинационное свечение возника- ет как следствие рекомбинации электрона и иона или двух частей диссоцииро- ванной молекулы. При рекомбинации выделяется энергия, равная энергии разъ- единения молекулы.
В газах и жидкостях люминесцентное свечение возникает как за счет вы- свечивания дискретных центров, так и за счет рекомбинационного свечения. В некоторых кристаллических телах наблюдается высвечивание дискретных цен- тров, в некоторых – рекомбинационное свечение. Встречаются кристаллы, в ко- торых существует свечение обоих видов одновременно. Высвечивание дис- кретных центров наблюдается у молекулярных кристаллов, где в узлах кри- сталлической решетки расположены отдельные молекулы. Из-за слабого взаи- модействия между собой молекулы в кристалле сохраняют относительную са- мостоятельность, поэтому при фотолюминесценции поглощение и излучение фотона происходит в одной молекуле. Кристаллы твердого кислорода, бензола, нафталина, а также кристаллы урановых соединений дают высвечивание дис- кретных центров.
Рекомбинационное свечение наблюдается в так называемых кристалло- фосфорах – кристаллах с дефектами кристаллической решетки, обусловленны- ми включением посторонних примесей, в качестве которых используются ионы тяжелых металлов. Дли- тельность свечения кри- сталлофосфора может со- ставлять несколько часов.
Объяснение этого дает зонная теория твердых тел.
Упрощенная схема энерге- тических уровней электро- на в кристаллофосфоре приведена на рис. 10.5. В кристаллах основного ве- щества кристаллофосфора уровни энергии объединены в зоны (валентную и проводимости). При внедре- нии в кристалл чужеродных ионов двух видов возникают дополнительные
Рис. 10.5
Зона проводимо-
сти
Валентная
зона
1 3
2 4
5 7
6
А
Л

114 уровни, обозначенные штриховыми линиями. Буквой А отмечены уровни, обу- словленные примесью – активатором, буквой Л – уровни, обусловленные ато- мами другой примеси. Уровни Л, расположенные у дна зоны проводимости, на- зываются ловушками. При облучении кристаллофосфора светом электроны с уровней А могут переходить в зону проводимости (переходы 1, 3 на рис. 10.5).
В дальнейшем электрон либо встретится с ионом активатора и рекомбинирует с ним (переход 2), либо будет захвачен ловушкой (переход 4). Возвращение элек- трона на уровень А сопровождается испусканием фотона люминесценции. За- хват электрона ловушкой не сопровождается испусканием фотона, поскольку выделяемая при этом переходе энергия уходит на возбуждение колебаний ре- шетки.
Рекомбинация электрона с ионом активатора происходит очень быстро.
Если бы не было ловушек, люминесцентное свечение было бы кратковремен- ным и исчезало бы с прекращением облучения кристалла. Ловушки существен- но увеличивают длительность люминесценции. Захваченный ловушкой элек- трон утрачивает подвижность и не может рекомбинировать с ионом активатора.
В дальнейшем электрон может освобождаться из ловушки и снова перейти в зону проводимости (переход 5). Затем он может либо встретиться с ионом ак- тиватора и рекомбинировать с ним (процесс 5 – 6), либо снова может быть за- хвачен ловушкой (процесс 5 – 7). Поскольку последний процесс может повто- ряться многократно, рекомбинация электрона с ионом активатора, приводящая к испусканию фотона люминесценции, может произойти через значительный промежуток времени.
Характерным признаком фотолюминесценции является то, что длина волны люминесцентного свечения отличается от длины волны возбуждающего люминесценцию света (при облучении раствора родомина синим светом, он светится оранжевым цветом). При этом обычно соблюдается правило (правило
Стокса), согласно которому свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем свет, вызывающий люминесценцию. Однако дальнейшие исследования показали, что при фотолюминесценции наблюдается также излу- чение с длиной волны, меньшей длины волны возбуждающего света. Такое из- лучение называют антистоксовым.
При низкой температуре интенсивность стоксова излучения значительно превосходит интенсивность антистоксова излучения. С повышением темпера- туры интенсивность стоксова излучения слабо умень- шается, в то время как интенсивность антистоксова излучения возрастает. Однако интенсивность антисто- ксова излучения остается меньше интенсивности сто- ксова.
В многоатомных молекулах стоксово и антисто- ксово излучения вызываются переходами между элек- тронно-колебательными уровнями энергии.
На рис. 10.6 переходы 1 – 2 вызывают стоксово, а перехо- ды 3 – 4 – антистоксово излучение. При низких темпе- ратурах большинство частиц вещества находится в ос-
Рис. 10.6 1
2 3
4

115 новном состоянии и излучение будет происходить, в основном, в результате переходов 1 – 2, т.е. будет стоксовым. С увеличением температуры увеличива- ется число молекул в возбужденных состояниях и , как следствие, интенсив- ность антистоксова излучения будет возрастать.
Явление люминесценции нашло широкое применение в науке, технике и в быту. Например, для освещения жилищ и промышленных помещений приме- няются люминесцентные лампы дневного света. Электронный разряд в такой лампе возбуждает ультрафиолетовое излучение паров ртути, которое в свою очередь вызывает свечение люминофоров, покрывающих внутреннюю поверх- ность люминесцентной трубки. Люминофоры подбираются таким образом, чтобы спектральный состав их излучения совпадал со спектральным составом дневного света. Важное значение имеет применение люминофоров в электрон- но-лучевых трубках, которые используются в телевизорах, осциллографах, электронно-оптических преобразователях и т.д. Экраны электронно-лучевых трубок покрываются слоем активированного сернистого цинка, люминесценция которого возбуждается пучком электронов. Электронно-оптические преобразо- ватели позволяют видеть в темноте предметы, дающие собственное инфракрас- ное тепловое излучение или освещаемые инфракрасными лучами.
Систематическое излучение спектров испускания (поглощения) атомов химических элементов позволило установить однозначную связь между спек- трами паров и химической индивидуальностью соответствующих атомов. На- личие такой связи дает возможность определения химического состава излу- чающей смеси паров по ее спектру (спектральный химический анализ). Качест- венный спектральный анализ основан на измерении длин волн спектральных линий, характерных для атомов данного вида. Наличие таких линий в спектре указывает на присутствие в смеси паров атомов соответствующего элемента.
Метод качественного спектрального анализа обладает очень высокой чувстви- тельностью в сравнении с химическими методами. Спектральным методом можно определить присутствие одного атома исследуемого вещества среди миллиона (и более) посторонних атомов. Определение спектральными метода- ми количественного содержания исследуемого элемента является задачей ко- личественного спектрального анализа. Он основан на связи между интенсивно- стью испускаемой спектральной линии и количеством испускающих эту линию атомов. Ошибка при количественном спектральном анализе обычно не превы- шает 0,5 – 3%. Методы спектрального анализа играют исключительную роль в астрофизике и вообще при изучении недоступных объектов.
Люминесцентный анализ основан на измерении спектров люминесцен- ции. Он применяется для решения важных практических задач, поскольку пре- восходит другие виды анализа по своей чувствительности. Одним из преиму- ществ люминесцентного анализа является то, что для его проведения достаточ- но малого количества материала (до 10
–15
г). С помощью люминесцентного анализа можно обнаружить наличие инородных примесей массой 10
–11
г в 1 г основного вещества. Люминесцентный анализ широко применяется в биологии и медицине для обнаружения болезнетворных бактерий, изменений в тканях при раковых заболеваниях и т.д. Он позволяет определять чистоту химических

116 препаратов и выявлять ничтожные загрязнения. В судебной медицине люми- несцентный анализ дает возможность легко обнаруживать следы крови, увидеть написанное невидимыми чернилами, обнаружить поддельные банкноты и под- чистки документов. Фотолюминесценция многих минералов облегчает геоло- гическую разведку. Так, исследуя на флуоресценцию кусочки извлеченной при бурении породы, можно судить о наличии в ней нефти и ее качестве.
10.5. Спонтанное и вынужденное излучение света. Лазеры
Пусть Е
1
и Е
2
(Е
2
> Е
1
) – энергетические уровни атома. Атом, находящий- ся в состоянии с энергией Е
1
может поглотить фотон с энергией h
ν = Е
2
– Е
1
и перейти в состояние с энергией Е
2
. В результате таких переходов происходит поглощение световой энергии при распространении электромагнитного излуче- ния в среде. Атом, находящийся в состоянии с энергией Е
2
, может самопроиз- вольно, без всякого внешнего воздействия, перейти в состояние с энергией Е
1
, испустив при этом фотон с энергией h
ν = Е
2
– Е
1
. Излучение, возникающее при самопроизвольных, происходящих без внешнего воздействия переходах атомов
(молекул, ионов) из состояний с большими энергиями в состояния с меньшими энергиями называется спонтанным (самопроизвольным) излучением.
Однако, как показал Эйнштейн, двух указанных видов переходов атомов недостаточно для объяснения факта сущест- вования термодинамического равновесия ме- жду веществом и излучением. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии с энергией Е
2
падает фотон с энергией
h
ν = Е
2
– Е
1
, то, по Эйнштейну, атом может перейти в состояние с Е
1
, испустив при этом еще один фотон той же энергии h
ν . Схематично такой переход изображен на рис. 10.7.
Переходы атомов из состояний с большими энергиями в состояния с меньшими энергиями, происходящие под воздействием излучения и сопровож- дающиеся излучением дополнительных фотонов, называются индуцированны-
ми (вынужденными) переходами. Возникающее в результате таких переходов дополнительное излучение называется индуцированным (вынужденным). Ис- следования показали, что испущенный при индуцированном переходе фотон оказывается в том же квантовом состоянии, что и фотон, вызвавший переход
(фотоны являются бозонами!). Вследствие этого волна индуцированного излу- чения имеет ту же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, что и волна вынуждающего излучения. Вынужденное излучение строго коге- рентно с вынуждающим излучением. На этом свойстве индуцированного излу- чения основано действие лазеров. Лазерами называют устройства, при прохож- дении через которые электромагнитное излучение усиливается за счет индуци- рованного излучения. Лазеры называют также оптическими квантовыми гене- раторами.
h
ν
h
ν
h
ν
E
1
E
2
Рис. 10.7

117
Добиться усиления световой волны, распространяющейся в среде, кото- рая находится в состоянии термодинамического равновесия, невозможно. В статистической физике доказывается, что в такой среде число атомов на верх- нем энергетическом уровне всегда строго меньше, чем на нижнем. Поэтому при распространении электромагнитной волны в равновесной среде каждый фотон имеет большую вероятность провзаимодействовать с невозбужденным атомом и поглотиться им, нежели столкнуться с возбужденным атомом и выбить до- полнительный фотон. Вследствие этого число переходов из состояний с мень- шей энергией в состояния с большей энергией будет преобладать, поэтому ин- тенсивность волны будет уменьшаться. Для того чтобы за счет индуцированно- го излучения добиться усиления распространяющейся световой волны, нужно создать инверсную населенность уровней – такое состояние среды, в котором число атомов на верхних энергетических уровнях больше числа атомов на ниж- них уровнях. Среда, в которой возможно создание инверсной населенности уровней, называется активной средой.
Рассмотрим принцип действия твердотельного лазера, созданного Мей- маном в 1960 г. Активной средой в этом лазере является рубин – окись алюми- ния Al
2
O
3
, в некоторых узлах кристаллической решетки которого атомы алю- миния заменены ионами хрома. Ионы хрома играют основную роль в работе лазера. Упрощенная схема энергетиче- ских уровней иона хрома изображена на рис. 10.8.
При переходе на основной уровень
Е
1
с уровня Е
2
излучается красный свет с длиной волны 694,3 нм. Переходы с группы уровней Е
3
на основной уровень сопровождаются излучением зеленого и голубого света.
Инверсная населенность создается между уровнями Е
1
и Е
2
. Для этого ис- пользуется так называемая оптическая накачка, т.е. освещение кристалла руби- на мощной вспышкой света. Рубину придается форма цилиндрического стерж- ня диаметром 0,1 – 2 см и длиной от 2 до 20 см. Строго параллельные торцы стержня тщательно полируются. Один торец покрывается непрозрачным слоем серебра, другой – слоем серебра, пропускающим примерно 8% упавшей на него световой энергии. Посеребренные торцы служат зеркалами, увеличивающими путь света в активной среде. Система параллельных зеркал, увеличивающая путь световой волны в активной среде и формирующая параллельный пучок света, называется оптическим резонатором. Для освещения (накачки) рубино- вого стержня используются ксеноновые лампы-вспышки с длительностью вспышки порядка 10
–3
с. Лампа-вспышка излучает свет, близкий к белому. Бла- годаря значительной ширине системы уровней Е
3
на их возбуждение уходит примерно 10 – 15% лучистой энергии лампы-вспышки.
Возбуждение ионов хрома за счет накачки изображено стрелкой 1 на рис.
10.8. На уровнях Е
3
возбужденные ионы живут очень короткое время (10
–8
с).
Рис. 10.8
h
ν
h
ν
h
ν
E
1
E
2
E
3 1
2 3
4 5

118
В течение этого времени часть ионов спонтанно переходит на основной уро- вень Е
1
(переход 2). Однако вероятность таких переходов значительно меньше вероятности переходов 3 на уровень Е
2
. При таких переходах ионы не излуча- ют, а расходуют энергию на возбуждение колебаний кристаллической решетки.
Время жизни иона на уровне Е
2
составляет 10
–3
с, что по атомным масштабам очень велико. Поэтому, при достаточной мощности накачки, вследствие пере- ходов 1 и 3 на уровне Е
2
окажется больше ионов, чем на уровне Е
1
, т.е. возника- ет инверсная заселенность этих уровней.
Испущенный при спонтанном переходе 4 фотон может вызвать индуци- рованное излучение еще одного фотона в том же квантовом состоянии, кото- рый при столкновении с ионом, находящимся на уровне Е
2
, снова порождает фотон индуцированного излучения и т.д. Поэтому вследствие индуцированных переходов, изображенных стрелкой 5 на рис. 10.8, образуется каскад фотонов.
Большинство фотонов, движущихся вдоль оси стержня, испытывает много- кратные отражения от торцов, поэтому каскад фотонов в направлении оси по- лучает наибольшее развитие. Фотоны, испущенные в других направлениях, вы- ходят из кристалла через его боковую поверхность.
При падении фотонов на частично прозрачный торец стержня часть из них выходит из кристалла, образуя лазерный луч (пучок лазерного излучения).
Вспышка лазерного излучения возникает после каждого акта накачки и руби- новый лазер работает в импульсном режиме.
Первые лазеры, работающие в диапазоне сантиметровых волн (мазеры), были созданы Басовым, Прохоровым и Таунсом в 1953 г. К настоящему време- ни создано очень обширное семейство лазеров с твердой, жидкой и газовой ак- тивными средами, работающими как в импульсном, так и в непрерывном ре- жимах. Лазеры находят широкое применение в различных областях науки и техники благодаря уникальным свойствам лазерного излучения. Для него ха- рактерны:
1. строгая монохроматичность;
2. высокая временная и пространственная когерентность;
3. малая расходимость;
4. большая интенсивность.
Укажем некоторые области применения лазеров. Они используются для точного измерения расстояний между удаленными объектами, позволяют опре- делить скорости вращения планет. Селективное возбуждение атомов и молекул лазерным излучением позволяет осуществлять разделение изотопов. Под дей- ствием лазерного излучения можно получить высокотемпературную плазму.
Высокая когерентность лазерного излучения используется в голографии. Воз- можность концентрировать большие энергии лазерного излучения в малых объемах позволяет осуществлять испарение тугоплавких веществ, делать тон- чайшие отверстия в различных деталях, влиять на ход химических реакций.
Сверхмощные газодинамические лазеры применяют для резки металлов, их сварки и плавления, для подзарядки батарей искусственных спутников Земли на орбите и т.д. В медицине лазерный луч используется в качестве бескровного скальпеля при лечении глазных и других болезней. Телевизионный лазерный

119 микроскоп позволяет достичь увеличения в 3000 раз. Без лазеров невозможно представить современный компьютер. Они используются для записи и считы- вания информации на оптические диски (CD-ROM, DVD), печати твердых ко- пий (лазерный принтер).

120