Основные характеристики электромагнитного излучения. Молекулярная спектроскопия. Валентные деформационные колебания. Схема энергетических уровней молекул. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Оптическая плотность пропускания. Качественный и количественный анализы. Применение оптических методов исследования в моей специальности.
Электромагнитное излучение – возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Основными характеристиками Э-М поля принято считать частоту, длину волны, волновое число, энергию излучения и поляризацию. Частота – число колебаний поля в секунду. Длина волны – расстояние, которое проходит волна за время одного периода. Волновое число – показывает какое число длин волн приходится на 1 см пути. Энергия излучения – Е = hν (h-постоянная Планка). Поляризация – явление направленного колебания векторов напряженности электрического и магнитного поля.
Молекулярная спектроскопия – это раздел спектроскопии, изучающий спектры поглощения, излучения молекулами и молекулярными ионами. Цель - изучение строения и свойств молекул. Методом является спектральный анализ. В спектральных методах анализа используется способность атомов поглощать и испускать Э-М излучение.
Валентные колебания – растяжение или сжатие связей атомов в молекуле (углы неизменны). Деформационные колебания – типы колебаний, которые сопровождаются изменением углов между связями молекул.
При прохождении излучения через вещество поток излучения ослабляется тем сильнее, чем больше энергии поглощают частицы данного вещества. Эта зависимость выражается законом Бугера - Ламберта – Бера: I = I0e-kd. ,где к-коэф-т поглощения.
Оптическая плотность - мера непрозрачности вещества, равная натуральному логарифму отношения интенсивности потока излучения Iо, падающего на слой вещества, к потоку прошедшего излучения I: D=ln(Iо/I).
Качественный анализ: 1) метод характеристических частот – молекулы, имеющие одинаковые хим. группы имеют одинаковые частоты, по таблицам характеристических частот полосу поглощения относят к колебанию конкретной связи; 2) метод сравнения – сравнением с эталонными спектрами. Количественный анализ – (закон Б-Л-Б) в основе лежит связь между концентрацией элемента в пробе и интенсивностью линий в спектре, чем выше полоса интенсивности, тем больше вещества в пробе, для построения графика берут 3 образца с известным %-ым содержанием, строится градуировочный график зависимости коэффициента поглощения от процентного содержания.
Метод ИК спектроскопии используется при исследовании строительных материалов, таких, как гипс, цементно-полимерные композиции, силикаты и др. При изучении гидратированных соединений метод ИК спектроскопии весьма полезен для идентификации гидроксильных групп.
Люминесценция. Физические величины, характеризующие люминесценцию. Классификация видов люминесценции. Правило Стокса. Законы Вавилова. Теория Блохинцева. Зонная теория (локальные и метастабильные уровни). Применение люминесценции.
Люминесценция – неравновесное излучение, избыточное при данной температуре над тепловым излучением тела и имеющее длительность, большую периода световых колебаний.
Длительность свечения – 10-10 и больше; энергетический выход – основная характеристика; длина волны, энергия.
Классификация:
- по длительности1) флуоресценция 2) фосфоресценция (длительн. промежуток после прекращения возбуждения).;
- по кинетике процесса;
- по способу возбуждения 1) Фотолюминесценция 2) рентгенолюминесценция 3) катодолюминесценция (под действием е-) 4)электролюминесценцию 5) Радиолюминесценцию 6) хемилюминесценцию 7) триболюминесценцию (при раскалывании кристаллов)
Спектр люминесценции всегда сдвинут в область низких частот.
Правило Стокса: длина волны люминесцентного излучения всегда больше длины волны света, возбудившего его. Энергия падающего фотона частично расходуется на неоптические процессы: hν = hν +ΔE.
Вавилов ввел понятие выхода люминесценции как величины, представляющей собой отношение энергии люминесценции к энергии поглощенного света, за счет которого она возникает. Закон: энергетический выход люминесценции при увеличении длины волны возбуждающего света растет пропорционально длине волны, далее на некотором небольшом интервале остается постоянным, а затем резко падает.
Зонная теория: между заполненной зоной и зоной проводимости кристаллофосфора располагаются примесные уровни активатора. Атом активатора поглощает фотон с энергией hν, электрон с примесного уровня переводится в зону проводимости, свободно перемещается по кристаллу до тех пор, пока не встретится с ионом активатора и не рекомбинирует с ним, перейдя вновь на примесный уровень. Рекомбинация сопровождается излучением люминесценции.
Впервые Блохинцев использовал для объяснения явления фосфоресценции представление о дозволенных энергетических зонах для электронов в кристаллах.
Активатор ведет к появлению добавочных уровней возможных энергетических состояний электронов. Около зоны проводимости В возникают местные (локальные) уровни вызванные неправильностями в кристаллической решетке, обусловленными внедрением в нее активатора. Эти последние уровни являются метастабильными. е- с примесного уровня идет в зону проводимости, попадает в ловушку, освобождение из нее требует определенной тепловой энергии, получает энергию попадает в зону проводимости, либо снова захвачен ловушкой, либо рекомбинирует. При нагревании вероятность перехода с метастабильного уровня в зону В увеличивается и вместе с тем увеличивается и число переходов, т. е. увеличивается яркость свечения. Таким образом, теория объясняет указанное влияние температуры на фосфоресценцию.
Применение люминесценции: люминесцентный анализ, дефектоскопия, лампы, квантовые генераторы.
Оптические квантовые генераторы. Принцип работы. Области применения.
Оптический квантовый генератор - прибор, в котором осуществляется генерация электромагнитных волн оптического диапазона за счет использования явления вынужденного излучения. Лазер обязательно имеет три основных компонента: 1) активную среду, в которой создаются состояния с инверсией населенностей(число возбужденных атомов больше числа основных); 2) систему накачки (устройство для создания инверсии в активной среде); 3) оптический резонатор (устройство, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок). До начала процесса накачки большинство атомов рабочего вещества находится в основном (низшем) состоянии. Благодаря энергии накачки атомы переходят в возбужденное состояние, оттуда либо спонтанный переход в основное, либо переход на метастабильный уровень, где е- накапливаются и возникает инверсная населенность. Фотон спонтанного перехода порождает множество вынужденных переходов . Этот процесс начинает лавинообразно развиваться, так как фотоны перемещаются вдоль возбужденного вещества, многократно отражаясь от зеркал резонатора.
Применение лазеров для обработки, резания и микросварки твердых материалов, обнаружения дефектов, тончайших операций, измерительной техники.
Особенности твердого состояния. Кристаллические и аморфные тела. Виды межатомных связей в твердых телах. Кристаллическая решетка. Элементарная ячейка. Типы кристаллических решеток. Базис, индексы направлений.
Для твердого состояния вещества характерна стабильность формы, отсутствие перемещения отдельных частиц, хотя и происходят колебания около положения равновесия. Сохраняют форму благодаря сильным связям.
Кристаллы характеризуются пространственною периодичностью в расположении равновесных положений атомов, которая достигается наличием дальнего порядка и носит название кристаллической решётки.
В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, у них отсутствует дальний порядок, но сохраняется ближний (не имеют опред. точки плавления).
Виды межатомных связей: 1) Силы Ван-Дер-Вальса – наиболее общие (молекулярные кристаллы); 2) Ионная связь (большинство диэлектриков-ионные кристаллы) – поочередно ионы противоположного знака в узлах. 3) Ковалентная – в узлах нейтральные атомы, электронные оболочки перекрываются и е- становится общим. 4) Металлическая – в узлах + ионы Ме, связь в результате их взаимодействия со свободными е-.
Кристаллическая решетка – пространственная сетка, в узлах которой расположены твердые частицы. В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные и металлические.
Для описания решетки выбирается наименьшая часть, в виде пространственной фигуры (элементарной ячейки), повторяя которую в различных направлениях мы можем построить весь кристалл. Она может быть простой и сложной. Число атомов, принадлежащих ячейке – базис. Для определения направления в кристалле выбираются индексы направлений. За единицы длины принимают параметры кристаллической решетки. Если направление имеет отрицательные координаты, то над соответствующим индексом ставится знак минус.