Физика / 12.________ _______ ______ __ _________ ________

В.М.Клименко. Елементи атомної фізики та квантової механіки 117

§ 57. Молекулярні спектри

Молекула являє собою найменшу частинку речовини і складається з багатьох однакових чи різних атомів. Хімічні властивості молекул визначаються взаємодією зовнішніх електронів атомів, які називаються валентними електронами. Найпростішими молекулами є двоатомні з гомеополярним зв'язком:

водню − H2 , кисню− O2 , азоту− N2 таінші, а

також молекули з гетерополярним зв′язком: NaCl, CO, KCl, HCl та інші. У 1927 році

Гайтлер та Лондон розв'язали рівняння Шредінгера для двоатомної молекули водню. У результаті було виявлено, що енергія молекули залежить від відстані r між молекулами та напрямками їх спінів. Для r = r0 молекула має

мінімум енергії, а в околиці r0 вона здійснює гармонічні коливання

(див.Мал.70). На малюнку представлена залежність енергії молекули водню від відстані між атомами в основному стані для випадку паралельних та антипаралельних спінів електронів. У першому випадку молекула є стійким утворенням, а у другому випадку енергія не має мінімуму й молекула не може бути утворена взагалі. При електронному збудженні енергія молекули змінює криву залежності електронної енергії від відстані між атомами r, як це показано на малюнку. При заданій електронній конфігурації молекула може здійснювати коливальний та обертовий рух, які визначаються відповідними енергіями. Будова молекул та їх властивості виявляються з молекулярних спектрів, які утворюються електронними, коливальними та обертовими збудженнями атомів. Крім названих складових також розрізнюють електронно-коливальні (не змінюється коливальне квантове число v) та коливально-обертові (не змінюється обертове квантове число, яким є квантове число імпульсу J). Типові молекулярні спектри смугасті, що представляються сукупністю вузьких смуг в інфрачервоній, видимій та ультрафіолетовій областях. Чим більше атомів у молекулі, тим складніший її спектр випромінювання. Розглянемо докладніше енергетичні стани молекул. Повна енергія молекули Е є сумою енергії Ее електронної конфігурації, енергій коливального Еv та енергії обертового руху Еr,

В.М.Клименко. Елементи атомної фізики та квантової механіки 119

§ 58. Люмінесценція

Випромінювання, надмірне над тепловим, тривалість якого τ > 10−12 c називається люмінесценцією. Таке випромінювання може народжуватися

•при бомбардуванні тіл швидкими електронами та іншими, розігнаними до певних енергій, частинками,

•пропусканні електричного струму ударна фотолюмінісценція,

•дії достатньої величини напруженості електричного поля (електричний розряд) електролюмінісценція,

•опроміненні іншим випромінюванням фотолюмінісценція

•при протіканні деяких хімічних реакцій хемілюмінесценція з частинним випадком біологічних перетворень (наприклад, гниття дерева) біолюмінесценція .

При всіх названих джерелах виникнення люмінесценції, відбувається перехід атомів або іонів речовини у збуджений стан із наступним переходом їх в основний. При цьому може виникати люмінесцентне випромінювання електромагнітних хвиль. Поряд із цим можуть відбуватися і безвипромінювальні переходи. В залежності від тривалості люмінесцентного

випромінювання τ, люмінесценцію розділяють на

•флуоресценцію (τ ~ 10-8c ÷ 10-9c) фотолюмінісценція рідин та

газів, та

•фосфоресценцію, коли атоми тіла мають метастабільні збуджені рівні (10-4c >τ> 10-8c).

Для фотолюмінісценції встановлено правило: при фотолюмінісценції під дією видимого та рентгенівського випромінювання тіло випромінює

світло на частотах νs менших частоти збуджуючого випромінювання νо стоксове випромінювання й випромінювання малої інтенсивності на частоті νаs більшій ніж частота збуджуючого випромінювання антистоксове випромінювання. Це правило віддзеркалює той факт, що при утворенні фотона з νs, частина енергії W кванта hνo йде на неоптичні процеси, а в другому випадку до енергії джерела hνo долучається енергія теплового руху атомів, величина якої пропорційна kT.

Сфери застосування

•створення економічних джерел освітлення (натрієві жовта лінія, ртутні жовта, зелена, синя та фіолетова лінії);

•люмінесцентний аналіз для виявлення речовин із відносною масовою концентрацією до 10-11.

§ 59. Комбінаційне розсіювання

Комбінаційне розсіювання (КР) модульоване розсіювання падаючого випромінювання молекулами речовини. В елементарному акті

В.М.Клименко. Елементи атомної фізики та квантової механіки 120

комбінаційного розсіювання відбувається поглинання молекулою падаючого кванта hω0 і наступного випромінювання кванта

h(ω0 ± ωкол), де ωкол одна з частот коливального спектра молекули.

Квант h(ω0 − ωкол) відповідає стоксовій лінії ωs = ω0 − ωкол , а ωas = ω0 + ωкол антистоксова лінія. Комбінаційне розсіювання є потужним

методом для визначення частот коливального спектра молекул та якісного й кількісного аналізу складу речовини за характеристичними спектрами

зовнішнього електромагнітного випромінювання ξ = ξ0 cos ω0t внутрішніми

де k – коефіцієнт, що визначає глибину модуляції (k ≤ 1). Рівняння (1) може бути розкрите у вигляді

З рівняння (2) видно, що на виході з речовини може бути додаткове електромагнітне випромінювання на частотах комбінаційного розсіювання

ω0 ± ωкол.

§ 60. Вимушене випромінювання. Лазери

У речовинах атоми можуть мати звичайні та метастабільні енергетичні рівні. Якщо збуджений атом переходить на основний енергетичний рівень за

час ≈10−8 с, то збуджений рівень називають звичайним. Якщо ж атом із

збудженого стану переходить на основний за час ≈10−4 ÷10−3 с, то збуджений рівень називається метастабільним.

Крім спонтанного (самодовільного) випромінювання та вимушеного поглинання, Ейнштейн в 1916 році теоретично розглянув процес вимушеного випромінювання. Таке випромінювання може реалізуватися в так званому

В.М.Клименко. Елементи атомної фізики та квантової механіки 121

активному підсилюючому середовищі з метастабільними енергетичними рівнями.

При проходженні квантів випромінювання hω через активне підсилююче середовище, його інтенсивність може різко збільшуватися без суттєвої зміни частоти та напрямку випромінювання. Збільшення інтенсивності відбувається за рахунок випромінювання нових фотонів тотожних тим фотонам hω, що викликають їх народження. Число атомів N2 на збудженому метастабільному енергетичному рівні може бути значно більше числа атомів N1 в основному стані. В цьому випадку кажуть про інверсність заселення стану середовища. Переведення речовини в інверсний стан (N2/N1>1) називається накачкою активного середовища і вона може бути оптичною або електричною.

Для практичного використання засад створення вимушеного випромінювання створюються трьох рівневі активні середовища. Їх сутність полягає в тому, що оптичною накачкою атоми активного середовища з основного стану C переводяться на верхній звичайний енергетичний рівень A (див.Мал.74). Зі стану A найбільш імовірним є безвипромінювальний перехід на близький до A середній метастабільний енергетичний рівень B. Тепер стан B буде інверсно заселеним відносно основного стану С. При виникненні в такому інверсному стані активного середовища кванта з енергією рівною різниці енергій рівнів С та B виникає індукований (стимульований) лавинний перехід середовища з рівня B на рівень C.

Якщо активне середовище помістити між двома плоскими дзеркалами (резонатор), то відбувається підсилення спонтанно народженого кванта hω (затравки) при багатократному проходженні ним активного середовища між дзеркалами. Якщо одне із дзеркал зробити напівпрозорим, то частина випромінювання буде виходити із системи, а інша повернеться до активного середовища і знову підсилиться. Таким чином створюється зворотний додатний зв’язок.

Трирівневі та інші підсилюючі системи випромінювання в оптичному видимому, інфрачервоному та ближньому ультрафіолетовому діапазоні називають лазерами від англійської абревіатури слів lіgcht amplіfіcatіon by stіmulated emіssіon of radіatіon, а у мікрохвильовому та сантиметровому

В.М.Клименко. Елементи атомної фізики та квантової механіки 122

діапазоні радіохвиль – мазери від абревіатури слів mіcrowave amplіfіcatіon by stіmulated emіssіon of radіatіon.

Уперше мазер у сантиметровому діапазоні був створений у 1953 році Басовим та Прохоровим і незалежно від них Таунсом. В 1960 році Мейман (США) створив перший твердотільний лазер.

Розглянемо докладніше установки вимушеного випромінювання.

1. Рубіновий лазер утворюється кристалом рубіна, що є оксидом алюмінію Al2O3 із домішкою оксиду хрому Сr2O3 у кількості від 0.03% до 0.05%. Певна частина атомів Al у решітці рубіна заміщена атомами Cr3+, які утворюють активне середовище. Верхній енергетичний рівень А утворюється двома широкими енергетичними смугами, а метастабільний рівень В утворюється двома близькими рівнями, що відповідають довжинам хвиль червоного світла 692,7 нм та 694,3 нм (див.Мал.75). Накачка відбувається зеленим світлом потужної імпульсної лампи, наповненої неоном та криптоном.

2. Гелій-неоновий лазер. Активним середовищем є плазма високочастотного газового розряду в суміші гелію з неоном. Рівнем С є рівень збудження гелію близький до метастабільного рівня неону, який є рівнем системи В (див.Мал.76). Рівнем А є один із нижніх рівнів неону й перехід атомів неону зі збудженого стану В на цей нижній дає лазерне випромінювання з довжиною хвилі 632,8 нм.

Властивості лазерного випромінювання.

• Часова когерентність складає τ=10-3 с, довжина когерентності l=105 м (звичайні джерела світла мають τ~10-8 c, l=3

м).

В.М.Клименко. Елементи атомної фізики та квантової механіки 123

Нехай активне середовище одержало енергію 20 Дж і висвітлило цю енергію за 10-3 с, тобто створило потік eнергії Ф=2 104 Вт. Якщо сфокусувати це світло збірною лінзою на площу 1мм2=10-6 м2, то потік енергії на одиницю площі складе 2 1010 Вт/м2 20 гігават на 1м2.

•Кутова розбіжність лазерного випромінювання така, що промінь лазера створює на Місяці пляму діаметром до 3 км, коли звичайний прожектор дасть пляму діаметром до 40 000 км.

•ККД лазерів за своїм типом може складати від 0,01% до 75%.

Типи лазерів.

•твердотільні,

•газові,

•напівпровідникові,

•хімічні.

Застосування лазерів

•обробка та мікрозварювання твердих та надтвердих матеріалів,

•дефектоскопія виробів,

•хірургічний інструмент,

•вимірювальна техніка,

•створення голографічної пам’яті з високою швидкістю

зчитування.