 |
Энергия молекулы и молекулярные спектры
|
|
|
|
Изменения энергетического запаса молекул в основном происходит в результате изменений в электронной конфигурации, образующей переферическую часть молекулы. Кроме того ядра атомов, образующих молекулу, могут различным образом колебаться и вращаться относительно общего центра масс. С этим движениями также связана определенная часть энергии молекулы.
В первом приближении взаимодействие атомов, образующих молекулы напоминает квазиупругое, и атомы оказываются в условиях, соответствующих гармоническому квантовому осциллятору. Соответственно энергия колебательного движения молекул квантуется, то есть изменяется дискретно, порциями определенной величины.
Энергия, связанная с вращательным движением атомов молекулы также изменяется дискретно. Однако расстояние между энергетическими уровнями для вращения намного меньше, чем между энергетическими уровнями, связанными с колебаниями. Изменения энергии, связанные с изменениями состояния электронной конфигурации, намного превосходят колебательные кванты. Поэтому энергетический спектр молекул можно представлять в виде, показанном на рисунке 31.9.
Расстояние между вращательными уровнями намного меньше расстояния между колебательными уровнями, которые в свою очередь много меньше расстояния между электронными уровнями.
На спектрах молекул описанная структура энергетических уровней отражается следующим образом: при наблюдении с помощью спектрального прибора невысокой разрешающей силы спектры представляются состоящими из широких сплошных полос. При использовании более совершенных приборов обнаруживается, что полосы образуются близко расположенными линиями, возникающих при переходах между энергетическими уровнями, связанными с различными движениями моле
|
|
|
Комбинационное рассеяние света
В 1928 г. Ландсберг и Мандельштамм в СССР и Раман и Кришнан в Индиии обнаружили, что в спектре рассеяния, возникающем при прохождении света через газы, жидкости или прозрачные кристаллические тела, помимо несмещенной (исходной) линии содержатся линии, частоты которых 
представляют собой комбинацию частоты падающего света 
и частот 
вращательных или колебательных переходов молекул. Это явление получило название комбинационное рассеяние света.
Спектр комбинационного рассеяния состоит из несмещенной линии , симметрично которой располагается ряд спутников, причем каждому красному спутнику с частотой 
соответствует фиолетовый с частотой 
. Интенсивность фиолетовых спутников при обычных температурах мала, но быстро возрастает с ростом температуры.
Согласно квантовой теории процесс рассеяния можно рассматривать как неупругое столкновение фотонов с молекулами.
Пусть 
- энергия основного состояния молекулы, 
- первого возбужденного. При столкновении с молекулой фотон может передать или получить только энергию 
. Получение энергии фотоном соответствует образованию фиолетового спутника, а передача части энергии фотона веществу - образованию красного.
При обычных температурах большинство молекул находится в основном состоянии и частота рассеяния с потерей энергии фотоном намного больше. Поэтому интенсивность красных спутников выше. При повышении температуры число молекул в возбужденном состоянии повышается, соответственно увеличивается число рассеяний с получением энергии фотоном и растет интенсивность фиолетовых спутников.
Вынужденное излучение
До сих пор мы говорили только о спонтанных переходах атомов на более низкие энергетические уровни (с излучением фотонов) и вынужденных переходах под действием излучения на более высокие энергетические уровни (излучение и поглощение света веществом).
|
|
|
В 1918 г. Эйнштейн указал, что этих двух видов переходов недостаточно для объяснения существования равновесных состояний между излучением и веществом.
Это связано с тем, что вероятность спонтанных переходов определяется только внутренними свойствами атомов и не зависит от интенсивности падающего излучения. В то же время вероятность поглощательных, вынужденных, переходов зависит и от свойств атомов и от интенсивности падающего излучения.
Для возможности установления равновесия между излучением и излучающим телом при произвольной интенсивности падающего излучения необходимо существование испускательных переходов, вероятность которых возрастает с увеличением интенсивности излучения. Излучение, соответствующее таким переходам, называется вынужденным или индуцированным.
Из термодинамических соображений Эйнштейн доказал, что вероятности вынужденных переходов как с поглощением, так и с излучением света должны быть равны.
Главная особенность вынужденного излучения состоит в том, что по частоте, фазе, поляризации и, направлению распространения вынуденное излучение в точности совпадает с вынуждающим излучением. Эта его особенность лежит в основе действия усилителей и генераторов света.
Лазеры
В 1939 г. Фабрикант впервые указал на возможность получения среды, в которой свет будет усиливаться.
В 1953 г. Басов и Прохоров в СССР и Таунс и Вебер в США создали первые молекулярные квантовые генераторы, работавшие в диапазоне сантиметровых волн и получившие название мазеров (Microvave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
В 1960 г. Нейман в США создал первый Оптический Квантовый Генератор – лазер (Lighte….).
Как мы говорили, свет частоты , совпадающий с одной из частот 
атомов вещества, при прохождении через вещество может вызвать два процесса:
1. Вынужденные переходы 
с поглощением света;
2. Вынужденные переходы 
с излучением света.
Изменение интенсивности исходного пучка зависит от того, какой из этих двух процессов преобладает.
В состоянии термодинамического равновесия распределение атомов описывается распределением Больцмана:
|
|
|
(36.22)
– полное количество атомов;
– число находится в соответствии с энергией 
.
Из этого распределения вытекает, что населенность (число атомов в данном состоянии) энергетического уровня с ростом энергии уменьшается. А значит, среда в состоянии термодинамического равновесия будет в основном поглощать энергию излучения. Вероятность того, что фотон встретит атом в состоянии с минимальной энергией намного больше, чем вероятность встретить атом в возбужденном состоянии, способный испустить фотон.
Для усиления падающей волны необходимо создать инверсную населенность, т.е. такое состояние, когда в состоянии с большей энергией 
находится большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией 
. Такое состояние называется неравновесным, вследствие того, что может быть реализовано только в результате некоторого воздействия на вещество. Такому состоянию можно приписать отрицательную температуру, поскольку для него
что может быть только при условии 
. Вещество в состоянии инверсной населенности подобно горке песка, которая перевернута и стоит на вершине.
Создание лазера стало возможным после разработки методов создания инверсной населенности.
В лазере Меймана рабочим телом (т.е. усиливающей свет средой) был цилиндр длиной 5 см и диаметром 1 см. Торцы цилиндра отполированы и покрыты слоем серебра: один – толстым, другой – пропускал 
падающего света.
Особенностью использовавшегося рубина было наличие в нем небольшого количества ионов 
, которые в 
замещают атомы алюминия.
Атомы хрома при поглощении света переходят в возбужденное состояние. В этом состоянии они способны отдать часть своей энергии кристаллической решетке и перейти в метастабильное состояние. Переход из метастабильного состояния в основное запрещен правилами отбора. Поэтому в метастабильном состоянии атом может находиться очень долго 
с. Это время в 
раз превышает время жизни в обычном возбужденном состоянии.
Вероятность спонтанного перехода из метастабильного состояния в основное, запрещенного правилами отбора, мала, но конечна. Вероятность вынужденного перехода значительно больше. Поэтому под действием фотонов с соответствующей длиной волны ионы хрома могут быстро перейти в основное состояние.
|
|
|
Рубин освещался импульсной ксеноновой лампой, свет которой поглощался атомами хрома и переводил их возбужденное состояние. Это обеспечивало создание инверсной населенности. Внешнее воздействие, обеспечивающее создание инверсной населенности называется накачкой. После создания инверсной населенности достаточно одного спонтанного перехода из состояния метастабильного состояния в основное, чтобы вызвать появление лавины фотонов в направлении первого фотона, поскольку излученный при этом фотон вызывает вынужденное излучение таких же фотонов. Зеркала на торцах кристалла обеспечивали создание выделенного в объеме кристалла направления. Фотоны, движущиеся вдоль оси кристалла, испытывают многократные отражения от этих зеркал. Поэтому путь их в кристалле оказывается большим, и они стимулируют новые переходы с излучением фотонов, движущихся вдоль оси кристалла. Фотоны испущенные в других направлениях вызывают появление быстро исчезающих лавин.
Рубиновый лазер работает в импульсном режиме, излучая несколько импульсов в минуту, что объясняется сильным нагревом кристалла.
В 1961 г. Джаваном был создан первый газовый гелий-неоновый лазер.
В 1963 г. – полупроводниковый.
Излучение лазера характеризуется:
1. Очень высокой монохроматичностью.
2. Большой временной и пространственной когерентностью.
3. Большой интенсивностью
4. Узостью пучка.
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал)
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Донской государственный технический университет»
в г. Шахты Ростовской области
(ИСО и П (филиал) ДГТУ)
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой ЕНД
___________(П.Н. Козаченко)
«04» сентября 2013 г.
На правах рукописи
Физика
Конспект лекций
(Часть 8. Элементы физики твердого тела)
Для студентов направления 230400
«Информационные системы и технологии»
Электронный образовательный ресурс
Составитель: к.ф.-м.н., доцент В.В. Коноваленко
Рассмотрен и рекомендован для использования в учебном процессе на 2013/2014 – 2015/2016 уч. г. на заседании кафедры ЕНД.
Протокол № 1 от 04. 09. 2013 г.
Шахты 2013
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
|
|
|
