Билет 45. Комбинационное рассеяние света

Колебательно-вращательный спектр

Колебательно-вращательный спектр называют также ин фракрасным: спектром. Разрешающая способность обычного спектрального прибора слишком мала для разделения. При повышении давления или при конденсировании фаз эти линии исчезают, так как продолжительность существования отдельного вращательного состояния настолько сильно изменяется лри соударениях молекул, что наблюдается уширение и перекрывание линий. Спектры в ближней инфракрасной области i (i от 1000 до 50 000 нм) обусловлены колебаниями атомов. Колебания возникают, если поглощение электромагнитного излучения связано с изменением направления и величины дипольного момента молекул. Поэтому молекулы, состоящие, например, из двух атомов, не могут давать инфракрасные спектры.
Схема вращательного спектра комбинационного рассеяния молекулы типа симметричного волчка. Линии ветви S, накладывающиеся на линии ветви R, на рисунке. Колебательно-вращательные спектры возникают при перехода. Интенсивность колебательно-вращательных спектров испускания мала, они исследуются очень редко, практически исследуются спектры поглощения и спектры комбинационного рассеяния. В этом наиболее частом случае в спектре поглощения наблюдаются переходы только с основного колебательного уровня, а в спектре комбинационного рассеяния интенсивны только стоксовы полосы, также соответствующие переходам с основного колебательного уровня.
Колебательно-вращательные спектры (инфракрасные и комбинационного рассеяния) двухатомных молекул.
Колебательно-вращательные спектры охватывают не только многоатомные молекулы с постоянным дипольным моментом. Колебательные спектры с низким разрешением присутствуют в инфракрасной области и области рамановских частот. Правила отбора, определяющие число линий рамановских и инфракрасных спектров, очень сильно зависят от симметрии. Так, например, линейная трехатомная молекула ВАВ обладает двумя сильными линиями в инфракрасном спектре и только одной сильной линией (иной частоты) в раман-спектре. Оба спектра дополняют друг друга.
Схема вращательного спектра комбинационного рассеяния двухатомной молекулы. Колебательно-вращательные спектры испускания редко исследуются из-за малой интенсивности.

Комбинационное рассеяние света, рассеяние света веществом, сопровождающееся заметным изменением частоты рассеиваемого света. Если источник испускает линейчатый спектр, то при К. р. с. в спектре рассеянного света обнаруживаются дополнительные линии, число и расположение которых тесно связаны с молекулярным строением вещества. К. р. с. открыто в 1928 советскими физиками Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом при исследовании рассеяния света в кристаллах и одновременно индийскими физиками Ч. В. Раманом и К. С. Кришнаном при исследовании рассеяния света в жидкостях (в зарубежной литературе К. р. с. часто называют эффектом Рамана). При К. р. с. преобразование первичного светового потока сопровождается обычно переходом рассеивающих молекул на другие колебательные и вращательные уровни (см. Молекулярные спектры), причём частоты новых линий в спектре рассеяния являются комбинациями частоты падающего света и частот колебательных и вращательных переходов рассеивающих молекул — отсюда и назв. «К. р. с.».

Для наблюдения спектров К. р. с. необходимо сконцентрировать интенсивный пучок света на изучаемом объекте. В качестве источника возбуждающего света чаще всего применяют ртутную лампу, а с 60-х гг. — лазерный луч. Рассеянный свет фокусируется и попадает в спектрограф, где спектр К. р. с. регистрируется фотографическим или фотоэлектрическим методами.

К. р. с. наиболее часто связано с изменением колебательных состояний молекул. Такой спектр К. р. с. состоит из системы спутников, расположенных симметрично относительно возбуждающей линии с частотой n. Каждому спутнику с частотой n — ni (красный, или стоксов, спутник) соответствует спутник с частотой n + ni (фиолетовый, или антистоксов, спутник). Здесь ni— одна из собственных частот колебаний молекулы. Таким образом, измеряя частоты линий К. р. с., можно определять частоты собственных (или нормальных) колебаний молекулы, проявляющихся в спектре К. р. с. Аналогичные закономерности имеют место и для вращательного спектра К. р. с. В этом случае частоты линий определяются вращательными переходами молекул. В простейшем случае вращательный спектр К. р. с. — последовательность почти равноотстоящих симметрично расположенных линий, частоты которых являются комбинациями вращательных частот молекул и частоты возбуждающего света.

Согласно квантовой теории, процесс К. р. с. состоит из двух связанных между собой актов — поглощения первичного фотона с энергией hn (h — Планка постоянная) и испускания фотона с энергией hn' (где n' = n ± ni), происходящих в результате взаимодействия электронов молекулы с полем падающей световой волны. Молекула, находящаяся в невозбуждённом состоянии, под действием кванта с энергией hn через промежуточное электронное состояние, испуская квант h (n — ni), переходит в состояние с колебательной энергией hni. Этот процесс приводит к появлению в рассеянном свете стоксовой линии с частотой n — ni (). Если фотон поглощается системой, в которой уже возбуждены колебания, то после рассеяния она может перейти в нулевое состояние; при этом энергия рассеянного фотона превышает энергию поглощённого. Этот процесс приводит к появлению антистоксовой линии с частотой n + ni ().

Билет 46. Вынужденное излучение

Представление о квантовых энергетических уровнях атомов было введено в физику Н.Бором в 1913 г. Оно очень естественно объяснило линейчатые атомные спектры как результат процессов спонтанного (самопроизвольного) и з л у ч е н и я и резонансного (избирательного) п о г л о щ е н и я света атомами.

В 1919 г. Эйнштейн показал, что наряду с процессами спонтанного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс — вынужденное (индуцированное) излучение. По Эйнштейну свет резонансной частоты, т. е. той частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на более высокий квантовый уровень, должен вызывать высвечивание атомов, уже находящихся на этом верхнем уровне.

Дата добавления: 2014-01-04