1.3.1. Оптическое возбуждение

Оптическое возбуждение – возбуждение путём поглощения фотонов.

Условия возбуждения здесь наиболее просты. Его можно получить излучением известного спектрального состава, в частности монохроматическим излучением, то есть сообщая атомной системе определённые порции энергии hv. Оптическое возбуждение может быть прекращено в заданный момент времени, что позволяет исследовать испускание атомных систем после прекращения возбуждения – послесвечение – измерять его длительность и законы затухания.

Испускание, обладающее малой длительностью послесвечения называется флуоресценцией, а обладающее большой продолжительностью послесвечения, называется фосфоресценцией. Оба типа испускания являются частными случаями фотолюминесценции.

Простейшим и очень важным случаем оптического возбуждения является возбуждение одного определённого дискретного верхнего уровня E_i атома газа из основного состояния E₁:

Возбуждённый атом может отдать свою энергию возбуждения двумя способами:

1. Путём испускания фотона, т.е. при переходе с излучением.

2. Путём потери Е при столкновении с другой частицей, то есть при безизлучательном переходе.

Если атом возвращается в основное состояние, испуская фотон hv той же частоты v, что и поглощённый фотон, то имеем резонансное испускание, а соответствующее излучение называется резонансным. Линии, для которых наблюдается резонансное испускание, называется резонансными.

Явление резонансного испускания было впервые обнаружено Вудом в 1905 году в парах натрия.

Обычно термин «резонансные линии» применяют к одной или нескольким линиям, наиболее интенсивном при резонансном испускании. Обычно подобные лини соответствуют переходам на основной уровень с первого возбуждённого уровня.

К огда происходит оптическое возбуждение уровня, с которого возможны переходы не только обратно на основной уровень, но и на другие, более низкие по сравнению с ним возбуждённые уровни, наряду с резонансным испусканием наблюдается испускание с частотами, меньшими частоте резонансной линии. Излучение такого не резонансного испускания атомов позволяет проверить правильность схем уровней энергии.

Правило Стокса: для испускания, наблюдаемого при оптическом возбуждени атомных систем с основного уровня, характерно то, что частота линий испусскания частоте линий поглощения:

(1.5)

Испускание, удовлетворяющее правилу Стокса (1.5), называется стоксовым, а линии испускания – стоксовыми линиями.

Ν β: Правило Стокса справедливо лишь для возбуждения с основного уровня. При возбуждении с более высоких уровней может получаться антистоксово испускание, для которого частота испускаемых фотонов больше частоты поглощения:

(1.6) – условие антистоксового испускания

Соответствующие линии – антистоксовые. Пример: v­₄₁ – антистоксовая линия.

При рассмотрении оптического возбуждения необходимо учитывать, что излучение может не только поглощаться веществом, но и рассеиваться в нём, меняя своё направление распространения.

Различают:

1. Релеевское рассеивание в однородной среде

2. Рассеивание в мутной среде (эффект Тиндаля)

3. Комбинационное рассеивание (эффект Рамана)

В 1-м и 2-м рассеивании частота излучения не меняется, энергия рассеивающих систем – постоянна. В 3-м рассеивании частота излучения при рассеивании меняется, энергия рассеивающих систем меняется.

Рассеивание без изменения частоты является когерентным, фаза рассеянного излучения определяется фазой падающего излучения. Рассеивание с изменением частоты является не когерентным – фаза рассеянного излучения не зависима от фазы падающего излучения.

Лекция № 3 от 14.03.2011