3.Спонтанное и индуцированное излучение и их сво-ва.

Спонтанное излучение.

Рассмотрим в некоторой среде два энергетических уровня 1 и2 с энергиями и (<).Предположим, что атом или молекула вещества находится первоначально в состоянии соответствующая уровню 2 .Поскольку < атом будет стремится перейти на уровень 1.Следовательно , из атома должна соответствующая разность энергий -.Когда эта энергия высвобождается в виде электромагнитной волны, процесс называется спонтанным излучением. При этом частота излучаемой волны опред-ся формулой (полученной Планком):

-\h (1)

Т.о. спонтанное излучение хар-ся испусканием фотона с энергией - при переходе атома с уровня 2 на 1.(рис.)

Вероятность спонтанного излучения можно опред-ть следующим образом. Предположим ,что в момент времени t на уровне 2 находится атомов в единице обьёма. Скорость перехода (/dt)спонт. Этих атомов в следствии спонтанного излучения на низший уровень ,очевидно, пропорционально .Следовательно можно написать:

(/dt)спонт. =A (2)

Множитель А представляет собой вероятность спонтанного излучения и называется коэфиц. Энштейна А.Величину =1\А называют спонтанным временем жизни. Численное значение А () зависит от конкретного перехода, участвующего в излучении.

Вынужденное излучение.

Предположим, что атом нах. на уровни 2 и на вещество падает электромагнитная волна с частотой опред-й выражением (1) -\h (т.е. с частотой равной частоте спонтанно испущенной волны).Поскольку частоты падающей волны и излучения, связанное с атомным переходом , равны друг другу , имеется конечная вероятность того, что падающая волна вызовет переход с 2→1.При этом разность энергий - выделится в виде элект-й волны , которая добавится к падающей.Это и есть явление вынужденного перехода .

Между процессами спонтанного и вынужденного излучения есть существенное отличие. В случае спонтанного излучения атом испускает электромагнитную волну ,фаза которой не имеет опред-й связи с фазой волны, излучаемым другим атомом. Более того испущенная волна может иметь любое направление распространения. В случае же вынужденного излучения ,поскольку процесс инициируется подающей волной, излучение любого атома добавляется к этой волне в той же фазе. Падающая волна определяет также направление распространения испущенной волны. Процесс вынужденного излучения можно описать с помощью уравнения:

(/dt)вын.= (3)

Где (/dt)вын.- скорость перехода 2→1 за счёт вынужденного излучения ,а .Как и коэ-т А определяемый выражением (2), имеет также размерность (время)^-1.Однако в отличии от А зависит не только от конкретного перехода, но и от интенсивности падающей электромагнитной волны .Точнее ,для плоской волны, можно написать :

=F

где F-плотность потока фотонов в падающей волне, -величина имеющая размерность площади (сечение вынужденного излучения) и зависящая от хар-к данного перехода.

4.Поглощение.Коэффициенты поглощения.

Предположим что атом первоначально находится на уровне 1. Если это основной уровень, то атом будет оставаться на нем до тех пор, пока на него не подействует какое-либо внешнее возмущение. Пусть на вещество попадет элетромагнитная волна с частотой , определяемой выражением: ₂-E₁)/h.

В таком случае существует конечная вероятность того, что атом перейдет на верхний уровень 2. Разность энергий E₂-E₁ ,необходимаяя для того, чтобы атом совершил переход, берется из энергии падающей электромагнитной волны. В этом заключается процес поглащения. По аналогии с (dN₂/dt)_вых= -W₂₁N₂ вероятность поглощения W₁₂ определяется уравнением: dN₁/dt= -W₁₂N₁, где N₁ – число атомов в еденице объема, которые в данный момент времени находятся на уровне 1. Кроме того, так же, как и в выражении W₂₁=₂₁F, можно написать: W₁₂=₁₂F. Здесь ₁₂ некоторая площадь(сечение поглощения), которая зависит только от конкретного перехода. Предположим теперь, что каждому атому можно поставить в соответствие эффективное сечение поглощения фотонов _а в том смысле, что если фотон попадает в это сечение, то он будет поглощен атомом. Если площадь поперечного сечения электромагнитной волны в среде обозначить черех S, то число освещенных волной атомов среды в слое толщиной dz равно N₁Sdz и тогда полное сечение поглощения будет равно _аN₁Sdz. Следовательно, относительное изменение числа фотонов (dF/F) в слое толщиной dz среды равно: dF/F= -_аN₁Sdz/S. Видно, что =_а, поэтому величине можно придать смысл эффективнорго сечения поглощения. Взаимодействие излучнеия с веществом можно описывать по-другому, определив коэфициент с помощью выражения:= (N₁ – N₂). Если N₁>N₂, то величина называется коэфициентом поглощения. Коэфициент поглощения можно найти как: (2²/3n₀c₀h)(N₁ – N₂)²g_t(). Поскольку зависит от населенностей двух уровней, это не самый подходящий параметр для описания взаимодействия в тех случаях, екогда населенности уровней изменяются как например в лазере. Однако достоинством данного параметра является то, что он может быть непосредственно измерен. Действительно, dF= - Fdz. Поэтому, отношение плотности потока фотонов, прошедшего в среду на глубину l, к плотности падающего потока фотонов равно F(l)/F(0)=exp(-l). Экспериментальные измерения этого отношения при использовании достаточно монохроматического излучения дают значение для этой конкретной длины волны падающего света. Соответствующее сечение перехода получается из выражения = (N₁ – N₂), если известны неселенности N₁ и N₂. Прибор для измерения коэфициента поглощения называется абсорбционным спектрофотометром.

Зако́н Бугера — Ламберта — Бера — физический закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.

Закон выражается следующей формулой:

где I0 — интенсивность входящего пучка, l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, kλ — коэффициент поглощения (не путать с безразмерным показателем поглощения κ, который связан с kλ формулой kλ = 4πκ / λ, где λ - длина волны).

Показатель поглощения характеризует свойства вещества и зависит от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.