Частот, соответствующих частотам колебательных иливращательных переходов рассеивающих молекул

Весь электронно-колебательный спектр представляет собой системуизнесколькихгрупп полос, часто перекрещивающих друг другаи составляющих широкую полосу.

Изучение и расшифровка молекулярных спектров позволяет разобраться в детальной структуре молекул и имеет широкое применение для химического анализа.

Комбинационное рассеяние света

Это явление заключается в том, что в спектре рассеяния, возникающем при прохождении света через газы, жидкости или прозрачные кристаллические тела наряду с рассеянием света с неизменной частотой v появляется ряд больших или меньших

Явление комбинационного рассеивания имеет простое квантово-механическое объяснение. Процесс рассеивания света молекулами можно рассматривать как неупругое соударение фотонов с молекулами. При соударении фотон может отдать молекуле или получить от неё только такие количества энергии, которые равны разностям двух её энергетических уровней. Если при столкновении с фотоном молекула переходит из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией, то фотон теряет свою энергию и его частота уменьшается. При этом создаётся линия в спектре молекулы, смещённая относительно основной в сторону больших длин волн. В случае^ если после столкновения с фотоном, молекула переходит из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией создаётся линия в спектре смещённая относительно основной в сторону меньших длин волн.

Исследование комбинационного рассеяния даёт сведения о строение молекул. С помощью этого метода легко и быстро определяются собственные частоты колебаний молекулы. Он позволяет так же судить о характере симметрии молекулы.

Люминесценция

Если молекулы вещества могут быть приведены в возбуждённое состояние без увеличения их средней кинетической энергии, т.е. без нагревания, то возникает свечение этих тел или люминесценция.

Различают два типа люминесценции: флуоресценцию и фосфоресценцию.

Флуоресценцией называется люминесценция, сразу прекращающаяся после окончания действия возбудителя свечения. При флуоресценции происходит самопроизвольный переход молекул из возбуждённого состояния на более низкий уровень. Такой вид свечения имеет очень малую продолжительность (порядка Ю^сек.)

Фосфоресценцией называется люминесценция, сохраняющая свечение длительное время после действия возбудителя свечения. При фосфоресценции молекула переходит из возбуждённого состояния на метастабильный уровень. Метастабильным называется такой уровень, переход с которого на более низкий уровень маловероятен. Излучение при этом может произойти, если молекула снова вернётся на возбуждённый уровень. Переход из метастабильного состояния в возбуждённое возможен лишь при наличии дополнительного возбуждения. Таким дополнительным возбудителем может быть температура вещества. При высоких температурах такой переход происходит быстро, при низких медленно.

Как мы уже отмечали, люминесценция под действием света называется фотолюминесценцией, под действием бомбардировки электронами катодолюминесценцией, под действием.электрического поля электролюминесценцией, под действием химических превращений химилюминееценцией.

Квантовые усилители и генераторы излучения

В середине 50-х годов нашего столетия началось бурное развитие квантовой

электроники. В 1954 году в СССР появились работы академиков Н.Г. Басова, А.М, Прохорова, в которых был описан квантовой генератор ультра коротких радиоволн в сантиметровом диапазоне, называемый мазером (Мюгоууауе атрИйсайоп Ьу з11ти1а1ей епиззюп о? о1гаД1а13оп), Серия генераторов и усилителей света в видимой и инфракрасной областях, появившихся в 60-х годах, получила название оптических квантовых генераторов или лазеров (11§Ы атр11йса1юп Ьу 51тш1а1е<1 епикзюп оГ о&а(Иа1юп).

Оба типа устройств работают на основе эффекта вынужденного или индуцированного излучения. Остановимся на этом виде излучения более подробно.

Этот вид излучения является результатом взаимодействия электромагнитной волны с атомами вещества, через которое проходит волна. В атомах переходы с более

высоких энергетические уровней на менее высокие осуществляется самопроизвольно (или спонтанно). Однако, под действием падающего излучения такие переходы возможны как в прямом, так и в обратном направлении. Эти переходы называются вынужденн ыми или индуцированными. При вынужденном переходе с одного из возбуждённых уровней на низкий энергетический уровень происходит излучение атомом фотона, дополнительно к тому фотону, под действием которого сделан переход. При этом направлении распространения этого фотона и, следовательно, всего вынужденного излучения совпадает с направлением распространения внешнего излучения, вызвавшего переход, то есть, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением. Таким образом, новый фотон, появившейся в результате индуцированного излучения усиливает свет,

Е,____________ ^

Ну ^

Е,————^у

До взаимодействия После взаимодействия

проходящий через среду. Однако одновременно с индуцированным излучением происходит процесс поглощения света, т.к. фотон вынуждающего излучения поглощается атомом находящимся на низком энергетическом уровне Е^, при этом атом переходит на более высокий энергетический уровень. Этот процесс уменьшает

В^ = В^- вероятность вынужденного перехода.

Если р^В^}}А, то можно перевести систему в состояние сЛ^>Мп.

Такое неравновесное состояние системы, при котором число атомов на возбуждённом уровне больше, чем в нормальном состоянии, называется инверсным. Процесс перевода среды в инверсное состояние называется накачкой усиливающей среды- Методов накачки усиливающей среды существует множество.

Основной его частью является кристалл искусственного рубина, представляющего собой окись алюминия, в котором некоторые атомы алюминия замещены атомами хрома. При облучение кристалла рубина светом длины волны 5600А ноны хрома переходят на верхний энергетический уровень. Обратный переход в основное состояние происходит В два этапа. На первом этапе возбуждённые ионы отдают часть своей энергии кристаллической решётке и переходят в метастабильное состояние. На этом уровне ионы находятся большее время, чем на верхнем, в результате чего достигается инверсное состояние метастабильного уровня. Возвращение ионов в основное состояние сопровождается излучением двух красных линий

^ =б943Аи Дд =б924А

Это возвращение происходит лавинообразно под действием фотонов той же длины волны, т.е. при вынужденном излучении. Это возвращение происходит значительно быстрее, чем при спонтанном излучении, поэтому происходит усиление света.

Рубин, используемый в лазере, имеет вид стержня диаметром 0,5 см и длиной 4-5 см. Плоские торцы этого стержня отшлифованы и посеребрены, так что образуют два зеркала, обращённые навстречу, причём одно из них полупрозрачно. Весь рубиновый

Наиболее простым из них является оптическая накачка среды, при которой атомы переводятся с нижнего уровня на верхний возбуждённый уровень облучением света такой частоты, что ну=е^-е^. В среде, обладающей инверсным состоянием,

вынужденное излучение превышает поглощение света атомами, вследствие чего падающий пучок света будет усиливаться.

Рассмотрим прибор, использующий такие среды и используемый в качестве генератора волн оптического диапазона или лазер.

стержень расположен вблизи импульсной электронной лампы, с помощью которой осуществляется оптическая накачка среды. Фотоны, направление движения которых образует малые углы с осью рубина, испытывают многократные отражения от его торцов. Поэтому путь их в кристалле будет очень большим, и каскады фотонов в этом направлении получат наибольшее развитие. Фотоны, испущенные спонтанно? в других направлениях, выходят из кристалла через его поверхность, не вызывая дальнейшего

излучения.

Когда осевой пучок становится достаточно интенсивным, часть его выходит через

полупрозрачный торец кристалла наружу-Внутри кристалла выделяется большое количество тепла, поэтому его приходится

интенсивно охлаждать.

Излучение лазеров отличается рядом особенностей. Для него характерны:

1. Временная и пространственная когерентность

2. Строгая монохроматичность

3. Большая мощность

4. Узость пучка.

Высокая когерентность излучения открывает широкие перспективы использования лазеров для целей радиосвязи, в частности для направленной радиосвязи

в космосе.

Если будет найден способ модуляции и демодуляции света, можно будет

передавать огромный объём информации. Один лазер мог бы заменить по объёму передаваемой инАппмяттытт п^^ ^»^^^.г,. ^»—-

..„—„ „„.«.....у^^чьщяи. ^дии ла^ср мог оы заменить по объёму передаваемой информации всю систему связи между восточным и западным побережьями США. Угловая ширина лазерного пучка столь мала, что, используя тем скопическую фокусировку, можно получить на лунной поверхности пятно света диаметром 3 км. Большая мощность и узость пучка позволяют при фокусировке с помощью линзы получить плотность потока энергии в 1000 раз превышающую плотность потока энергии, которую можно получить фокусировкой солнечного света. Такие пучки света можно использовать для механической обработки и сварки, для воздействия на ход химических реакций и т.д.

Сказанное выше, далеко не исчерпывает всех возможностей лазера. Он является совершенно новым типом источника света и пока ещё трудно представить себе все возможные области его применения.

мощность света проходящего через среду, в следующий момент времени фотон вынужденного излучения переводит атом обратно с уровня Ег на уровень ЕьПри этом

переходе выделяется дополнительный фотон и далее в среде распространяются уже два фотона и свет усиливается,

Действие среды, в котором распространяются фотоны, определяются тем, какой из

Еэ у __________ двух этих процессов

^ преобладает. Если

———> ^у г преобладает

Е, ——-^—. -^ поглощение фотонов,

До взаимодействия то среда будет

ослаблять свет, если преобладает вынужденное излучение, то среда будет усиливать свет. В состоянии

равновесия количество поглощённых фотонов равно количеству излучаемых фотонов,

т.е.

ДАА. ^ ^.(.^р^ +^)

где

N^ и N^ - число атомов на уровнях энергии лит, т>п;

Рят ⁼ Ртп ~ объёмная плотность энергии излучения;

/4д„- вероятность спонтанного перехода с уровня «п» на уровень «т»;

о _ о _ --- - -

^ Энергия молекулы

Дто^ом называется наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами.

Дата добавления: 2014-01-14