31 Понятие об энергетических уровнях и спектрах молекул

Изменение энергии в молекулах происходит в основном, как и в атоме за счёт изменения электронной конфигурации, образования периферической части молекул. Однако, при данной электронной конфигурации ядро в молекуле может колебаться относительно положения равновесия и молекула может вращаться как целое. Этим двум видам движения соответствует колебательная E_υ и вращательная E_вр энергии, которых не может быть у отдельного атома. Эти 2 вида энергии также квантуются.

 E_υ=(ħw/2)*(υ+1),

где υ=0, 1, 2, … - колебательное квантовое число. 

E_вр=(ħ(с.2)/2I)*(I+1)*J,

где I=0, 1,…-момент инерции молекул.

J- вращательное квантовое число. 

Т о, энергия молекулы будет складываться из 3-х частей:

E= E_e +E_υ +E_вр. Всегда: E_e >E_υ >E_вр.

По порядку величины этих энергий можно оценить так:

E_e :E_υ :E_вр=1:√m_e/M`: m_e/M.

m_e-масса электрона; M-масса молекулы.

Переходы только между электронными уровнями обуславливают электронными спектрами молекулы, которое наблюдаются в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

Переходы только между колебательными уровнями обуславливают колебательные спектры молекулы, которое наблюдаются в инфракрасной области спектра.

Переходы только между вращательными уровнями обуславливают вращательные спектры молекулы, которое наблюдаются в дальней инфракрасной области спектра и микроволновом диапазоне спектра. В общем случае частота излучённого или поглощённого фотона может быть определена по формуле:

▲E=hν,

ν=▲E/h=(▲E_e/h)+(▲E_υ /h)+(▲E_вр/h).

Всегда для любой молекулы:

▲E_e >>▲E_υ >>▲E_вр.

32 Поглощение, вынужденное и спонтанное излучение

При прохождении световой волны через вещество часть энергии волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Интенсивность света при прохождении уменьшается по закону Бугера

I = I₀ * e  ^-х

где I₀ – интенсивность света при входе в поглощающий слой,

x – толщина слоя, – постоянная, называемая коэффициентом поглощения.

Спонтанное и вынужденное излучение

Рассмотрим излучение на примере двух уровней – основного и возбужденного с энергиями E₁ и E₂. При переходе электрона с уровня E₂ на E₁ энергия системы уменьшается, а избыток энергии излучается в виде кванта

h ν₂₁ = E₂–E₁

В этом случае говорят о спонтанном излучении. Эйнштейн предположил, что если в подобной ситуации около атома пролетает фотон, энергия которого в точности равна hν₂₁, то может произойти вынужденный (индуцированный) переход электрона с уровня E₂ на E₁. Это и есть вынужденное излучение, благодаря которому появились усилители излучения – квантовые генераторы.

33 Лазеры и их применение в строительстве

Принципиальная схема лазера крайне проста: активный элемент, помещенный между двумя взаимно параллельными зеркалами. Зеркала образуют так называемый оптический резонатор; одно из зеркал делают слегка прозрачным, сквозь это зеркало из резонатора выходит лазерный луч. Чтобы началась генерацию лазерного излучения, необходимо "накачать" активный элемент энергией от некоторого источника (его называют устройством накачки).

Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом приточном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы).

Применение лазеров в строительстве в качестве измерительных и геодезических приборов обусловлено их существенными характеристиками. Световой луч лазера имеет характеристики, недостижимые для любого другого источника света. Во-первых, каждый из миллиардов фотонов, составляющих лазерный луч, имеет точно ту же волновую длину или цвет. Все остальные источники света испускают свет довольно широкого спектра. Во-вторых, фотоны излучаются лазером с максимальной плотностью, так что световая точка, находящаяся на расстоянии нескольких десятков метров от лазера, имеет такой размер, как исходная точка или, по крайней мере, ее центр точно совпадает с центром самого лазерного луча. Это означает отсутствие аберрации и кривизны, являющихся характерными недостатками многих оптических приборов.