29). Квантово-механическое объяснение структуры атомных и молекулярных спектров.

Атомными спектрами называют как спектры испускания, так и спектры поглощения, которые возникают при квантовых переходах между энергетическими уровнями свободных или слабовзаимодействующих атомов. Электроны могут находиться в стационарных энергетических состояниях, в которых атомы не излучают и не поглощают энергию. При отсутствии внешних воздействий они заполняют только часть возможных электронных энергетических уровней с наименьшей энергиейj, таким образом, оказываются заполненными нижние электронные уровни, а верхние при этом остаются свободными. Состояние атома с возможной минимальной энергией называют основным. Если атом получает энергию, то может произойти переход какого-либо электрона с заполненного на более высокий свободный уровень. При этом атом оказывается в электронно-возбужденном состоянии с избыточной энергией. Поглощение кванта возможно при условии, если его энергия равна разности энергий какого-либо свободного электронного уровня (Еi) и заполненного (Ек): h*v(ню)= Ei-Eк, i>k. Эта формула выражает закон сохранения энергии. Возбужденные атомы стремятся перейти в состояние с наименьшей энергией. Поэтому происходят спонтанные квантовые переходы Ei => Eк. Такие переходы могут быть безызлучательными (энергия передается окружающим атомам при столкновениях, вызывая нагрев тела) или излучательными с испусканием квантов света, энергия которых выражается формулой h*v(ню)=Ei-Eк. Спонтанное излучения определяется в основном внутренними причинами, является случайным событием и имеет вероятностный характер. Обычные источники света испускают в основном спонтанное излучение. Также выделяется другой вид излучения, вынужденный. Формула для частоты света, излучаемого(поглощаемого) атомом водорода (Z=1)

где i и к – порядковые номера уровней, между которыми происх. переход.

В спектре можно выделить группу линий, называемые спектральными сериями: в ультрафиолетовой области нах. Линии серии Лаймана, образующаяся при переходе с верхних энерг. уровней на самый нижний(Nк(из формулы)=1); в видимой и близкой ультрафиолетовой областях спектра расп. Серия Бальмера, возник. При переходе с верхних энерг. уровней на 2(Nк=2); к инфракрасной области отн. Серия Пашена, возник. При переходе с верхн. энерг. уровней на 3(Nк=3). (формула примен. для каждой серии но со своим Nк)

Молекулярные спектры (спускания и поглощения) возникают при квантовых переходах молекул с одного энергетического уровня на другой и состоят из совокупности более или менее широких полос, которые представляют собой тесно расположенные линии. Сложность молекулярных спектров по сравнению с атомными обусловлена большим разнообразием движений и, следовательно, энергетических переходов в молекуле. Частота излучаемая или поглощаемая молекулой:

30) Люминесценция, её виды. Закон стокса.

Люминесценцией называют избыточное над тепловым излучение тела, имеющее длительность, значительно превышающую период (~15(-15ст.) сек.) излучаемых фотонов. Люминесцируют электронно-возбужденные молекулы(атомы). В зависимости от способа возбуждения различают несколько типов люминесценции. Люминесценция, вызванная заряженными частицами: ионами – ионолюминесценция, электронами – катодолюминесценция, ядерным излучением – радиолюминесценция. Люминесценция под воздействием рентгеновского и гамма-излучения называют рентгенолюминесценцией, фотонов видимого света – фотолюминисценцией. При растирании, раздавливании или раскалывании некоторых кристаллов возникает триболюминесценция. Электрическим полем возбуждается электролюминесценция. Люминесценцию, сопровождающую экзотермическую реакцию, называют хемилюминесценцией.

З-н Стокса: спектр люминесценции сдвинут в длинноволновую область относительно спектра поглощения того же соединения.

Причина сдвига спектров заключается в том, что электронный переход при поглощении происходит с нижнего колебательного уровня основного состояния на любые колебательные уровни возбужденных электронных уровней. При этом часть энергии переходит в тепло, и они оказываются на нижнем колебательном уровне нижнего возбужденного электронного состояния. Излучение проходит только с такого уровня на любые колебательные подуровни основного состояния. Энергия поглощенных квантов выше, чем излученных, что отражает превращение части энергии возбужденного состояния молекулы в тепловую энергию окружающих молекул.

31)Применение люминесценции в медико-биологических исследованиях.

1. При контроле содержания онкогенных углеводородов в воздухе (например, бензопирен), воздух пропускается через органические поглотители. После обработки их концентрированной серной кислотой – анализ на люминесценцию. Чувствительность анализа – до 0,001_мкг/мл

2. Контроль содержания наркотиков (морфин, героин). Чувствительность – до 0,02_мкг/мл

3. По первичной люминесценции – контроль качества пищевых продуктов (молоко и молочные продукты, куриные яйца и др.)

4. Первичная желто-зеленая люминесценция в УФ лучах при грибковом поражении волос.

5. Некоторые гематопорфирины избирательно накапливаются в злокачественных клетках и обнаруживаются по люминесценции.

32)Фотоэлектрический эффект. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Экспериментально установленный факт (конец 19 века): при попадании света видимой или ультрафиолетовой части спектра на металл, с его поверхности испускается электрон (фотоэлектронная эмиссия). Таков внешний фотоэффект. Было установлено, что не любой свет способен на это.

Формула Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

hν=A_{вых +}

А_вых – «работа выхода» - энергия, которую необходимо сообщить свободному электрону, чтобы он вырвался из металла. Поверхность металла имеет двойной электрический слой, преодоление которого требует дополнительной энергии.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота падающего на металл излучения, при которой возможен внешний фотоэффект.

hν_кр=А_вых

Внутренний фотоэффект – полупроводник, облучаемый видимым светом или ультрафиолетом, переходит в категорию проводников (возрастает численность свободных электронов).

Примечание: наряду с фотоэлектронной эмиссией известны так же – а) термоэлектронная эмиссия; б) автоэлектронная эмиссия; в) вторичная электронная эмиссия.

Формула

П

33)Лазер - квантовый усилитель или генератор когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона (света).

Лазерное излучение - электромагнитное излучение оптического диапазона

Лазерное излучение характеризуется следующими особенностями:

1. узконаправленностью, которая обусловлена тем, что испускаются лишь волны, многократно отраженные от стенок резонатора и не испытавшие существенного отклонения от оптической оси:

2. монохроматичностью (степенью близости колебаний к идеальным колебаниям), которая обусловлена тем, что выходное излучение является следствием резонансного процесса, связанного с переходом частиц с одного какого-либо энергетического уровня;

3. значительной выходной мощностью, т.к. в излучении участвует практически одновременно большое количество возбужденных частиц, а совпадение фаз отдельных колебаний приводит к значительному увеличению амплитуды выходной волны;

4. когерентностью пространственной (понятие, характеризующее постоянство или изменение по определенному закону основных характеристик волны –амплитуды, частоты, фазы, поляризации - в пространстве) поскольку все волновые фронты плоские и перпендикулярны направлению распределения волн;

5. когерентностью временной, поскольку излучение монохроматично и имеется строгое фазовое соответствие между волнами, испускаемыми в разные интервалы времени

34) Принцип работы лазера

Атомы вещества, поглощая энергию, например, при нагревании вещества, переходят в возбужденное состояние. Их электроны поднимаются на верхний энергетический уровень E1; через какое-то время они вновь опускаются на основной уровень E0, отдавая энергию в виде квантов электромагнитного излучения. Частота излучения определяется разностью энергий этих двух уровней:

E1 – E0 = h,

где h— постоянная Планка— частота излученного фотона

В обычной среде излучение отдельных атомов происходит самопроизвольно, независимо друг от друга, в разные моменты времени и в разных направлениях. Количество атомов обычного вещества в основном состоянии больше, чем в возбужденном.

Вещество, предназначенное для лазерной генерации, имеет большинство атомов в возбужденном состоянии. Такая ситуация называется инверсной населенностью. Чтобы она осуществилась, атомы вещества должны непрерывно получать энергию, а их электроны достаточно долго находиться на верхних энергетических уровнях (такие уровни называются метастабильными). С метастабильного уровня электрон, как правило, не успевает опуститься сам — его «сбрасывает» вниз пролетевший мимо фотон той же частоты. Излученный при этом — вынужденном — переходе фотон имеет ту же фазу, что и исходный. После каждого такого взаимодействия число фотонов удваивается — по веществу идет лавина вынужденного, или индуцированного, излучения. Его интенсивность растет по эспоненциальному закону: I = I0exp(z),

где — коэффициент квантового усиления среды, z — пройденный световой волной путь, который должен быть достаточно большим, чтобы все атомы вещества смогли участвовать в процессе излучения, которое происходит с одной частотой и в фазе. Такое излучение называется монохроматичным (одноцветным) и когерентным (от лат. kohere — сцепленный).

Лазер состоит из трех основных компонентов: активная среда, в которой осуществляется инверсная населенность атомных уровней и происходит генерация, система накачки, создающая инверсную заселенность, и оптический резонатор — устройство, создающее положительную обратную связь.

Активная среда — смесь газов, паров или растворов, кристаллы и стекла сложного состава. Компоненты активной среды подобраны так, что энергетические уровни их атомов образуют квантовую систему, в которой есть хотя бы один метастабильный уровень, обеспечивающий инверсную населенность.

Накачка — внешний источник энергии, переводящий активную среду в возбужденное состояние. В газовых лазерах накачку обычно осуществляет тлеющий электрический разряд, в твердотельных — импульсная лампа, в жидкостных — свет вспомогательного лазера, в полупроводниковых — электрический ток или поток электронов.

Оптический резонатор — пара зеркал, параллельных одно другому. Одно зеркало сделано полупрозрачным или имеет отверстие; через него из лазера выходит световой луч