Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 125

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 125)

Особенно в случае жидких и твердых тел влияние окружения иногда радикально меняет абсорбирующую способность атома вследствие того, что под действием полей окружающих молекул поведение электронов, определяющих оптические свойства атомов„изменяется до неузнаваемости. Особенно разительно в этом отношении поведение металлов, Действительно.

хорошо известно, что пары металлов, даже таких„как, например, серебро или натрий, представляют собой столь же хорошие изоляторы, как и пары (газы) других веществ, тогда как металлическое серебро или натрий являются наилучшими проводниками электричества. Таким образом, поведение наиболее слабо связанных с атомами электронов в изолированных атомах металлов и в конденсированном металле резко различно.

В соответствии с этим металлический натрий не обнаруживает никаких признаков спектра поглощения, характерного для паров натрия и изображенного на рис. 28.14. 518 МОЛНКУЛЯРНАЯ ОИ'ГИКА Для атомов некоторых веществ, например редких земель, к числу которых относится неодим (~с1) и празеодим (Рг), можно считать установленным, что оптический электрон принадлежит не к группе, расположенной в самой периферической части атома, как для большинства веществ, в частности для щелочных металлов, а к одной из внутренних групп.

Такое «защищенное» положение оптического электрона редких земель об ьясняет, по-видимому, то обстоятельство, что соли этих веществ, даже введенные внутрь твердого вещества (стекло), обнаруживают очень узкие полосы поглощения, приближающиеся к полосам в спектре поглощения изолированных атомов. Из приведенных фактов и рассуждений явствует, что вопрос о природе поглощения света легче выяснить при исследовании поглощения изолированными атомами, т.е. разреженными газами.

Введенный нами в 8 156 коэффициент д, характеризующий затухание электронного колебания в атоме, обьясняет явление абсорбции. Действительно, мы получили (см. (156.12)), что амплитуда плоской волны, распространяющейся в поглощающей среде на глубину г, выражается соотношением 2л. А = Ао ехр — — пхв я Ясно, что этот закон эквивалентен закону Бугера, ибо в данном случае 4л- ~ = д, а коэффициент поглощения а выразится через — лх, так как Ло интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды.

Как мы видели, при я = О коэффициент иж (а следовательно, и а) обращается в нуль, т.е. среда, для которой 8' = О, не поглощает света. Однако коэффициент д', введенный в наше рассмотрение, имел чисто формальный смысл и скрывал в себе целый ряд различных процессов, ведущих к растрате энергии, заимствованной электроном от падающей волны. а) Один из процессов, связанных с растратой энергии, заимствованной осциллятором, есть процесс излучения вторичных волн, Излучение является причиной рассеяния накопленной осциллятором энергии, вследствие чего амплитуда его колебаний достигает определенного предела, а не стремится к бесконечным значениям, как следует из упрощенной теории (вынужденные колебания без затухания). Эта причина затухания указана Планком и называется затуханием вследствие излучения; ова не вызывает превращения лучистой энергии первичной волны в другие формы энергии, а лишь обусловливает рассеяние этой лучистой энергии во все стороны.

Таким образом, энергия плоской волны, распространяющейся по первоначальному направлению, убывает и, следовательно, описанные выше приемы исследования будут обнаруживать ослабление света. Однако, как показал Л.И. Мандельштам, затухание вследствие рассеяния проявляется в полной мере лишь для изолированного осциллятора. Вследствие интерференции вторичных волн, рассеиваемых различными осцилляторами среды, ослабление падающей волны может быть в значительной мере скомпенсировано. Это явление тесно связано с явлением рассеяния света и будет несколько подробнее рассмотрено ниже (см. гл. ХХ1Х).

ГЛ. ХХЧП1. ДИСПВ1~СИЯ И АВСОРБЦИЯ СВЕТА 519 Указанная причина затухания может играть главную роль для очень разреженных газов и меньшую для жидких или кристаллических тел, особенно при низких температурах, когда осцилляторы этих тел расположены так, что образуют вполне однородную среду. Затухание вследствие излучения тем больше, чем больше излучение, т.е. чем болыпе амплитуды вынужденного колебания. Так как в знаменателе выражения для этой амплитуды стоит (с~о — 11 ), то она достигает максимума при ы = ~ 10.

т.е. максимальное поглощение соответствует той частоте 1~о, которая совпадает с частотой собственного колебания атома. Последний вывод вполне соответствует наблюдению Кундта, согласно которому область аномальной дисперсии совпадает с областью максимального поглощения. б) Возможны и другие процессы, ведущие к «истинному» поглощению света, т.е. сопровождающиеся переходом лучистой энергии в иную форму, например, в тепло.

Для газовой фазы Лорентц указал на такой процесс, состоящий в столкновении возбужденного, т.е. колеблющегося, атома с другим атомом. В данном случае колебательная энергия может переходить в энергию поступательного движения столкнув1пихся атомов, т.е. в тепло. И этот процесс поглощает особенно много энергии в том случае, когда 11 = ые. В случае конденсированных сред (жидкости, твердые тела) передача энергии от возбужденного атома или молекулы тем более облегчена в силу тесного расположения частиц среды и сильного их взаимодействия друг с другом.

В случае, например, жидкостей энергия колебаний ядер передается соседним молекулам за время. равное по порядку величины 10 12 с. В связи с обсуждением опытов Вавилова мы обращали внимание на изменение числа поглощающих частиц под влиянием мощного падак1щего излучения. Однако это не единственный эффект, имеющий место при больших интенсивностях света. В ~1 156 подчеркивалась тесная связь законов поглощения и дисперсии с представлением об атоме как о гармоническом осцилляторе, заряды которого возвращатотся в положение равновесия квазиупругой силой. Если интенсивность света, а следовательно, и амплитуда колебаний зарядов достаточно велика, то возвращающая сила уже не будет иметь квазиупругий характер, и атом можно представить себе как аагармояический осцилллтор.

Из курса механики известно, что при раскачивании такого осциллятора синусоидальной внешней силой ~частота 11) в его движении появля1отся составляющие, изменяющиеся с частотами, кратными 11.— двойными, тройными и т.д. Пусть теперь собственная частота осциллятора 110, подсчитанная в гармоническом приближении, совпадает, например, с частотой 2ы. Энергия колебаний зарядов в этом случае особенно велика, она передается окружающей среде, т.е. возникает селективное поглощение света с частотой, равной м = 110/2. Таким образом, спектр поглощения вещества, помимо линии с частотой 11о, должен содержать линии с частотами, равными ыо/2, а также 11о/3 и т.д. Коэффициент поглощения для этих линий, как легко понять, будет увеличиваться с ростом интенсивности света.

В рамках квантовых представлений собственной частоте колебаний 1 10 отвечает частота перехода 11„„, = 1'Еп, — Е„)/Й между состояниями т и и, обладаю1цими энергиями Е и Е.„(см. ~ 156). Следо- 52О МОЛР'КУЛЯГИАЯ ОП'ГИКА вательно, линии поглощения с мо/2 соответствует переход атома из состояния н в состояние т с одновременным аоглощепием двух фотонов, ибо Е,„, — Е„= Ьы „= 2~ко Линии же мо/3 соответствует переход, сопровождающийся поглощением трех фотонов и т.д.

Из сказанного понятно название, которое получило описанное явление многофотомнов аоглои~енив. Многофотонное поглощение было теоретически предсказано М. Гепперт-Майер в 1931 г., но экспериментально было обнаружено лишь в 1962 г. (Кайзер и Гаррет) при облучении кристалла СаГ~, активированного европием, светом рубинового лазера. В последующих исследованиях многофотонное поглощение подробно изучалось в парах металлов, растворах органических красителей, полупроводниках, органических и неорганических кристаллах и в газах.

Многофотонное поглощение может проявляться весьма разнообразно. Если, например, вещество облучать светом, в составе которого есть спектральные компоненты с частотами мР и м2, то может произойти поглощение двух фотонов Йсо| и Й~ ~~ при условии, что ы1 +ы2 — — м „. Отметим также, что в результате поглощения многих фотонов оптический электрон может также оторваться от атома ~многофотонная ионизация, Г.С. Воронов, Н.Б. Делоне, 1965 г.). Так, например, наблюдалась ионизация атома гелия ~потенциал ионизации 24,58 эВ) в результате поглощения 21 фотона излучения неодимового лазера (Л = 1,06 мкм).

В такого рода опытах применяется импульсное сфокусированное излучение мощных лазеров, освещенность достигает значений 10 — 10~~ Вт,~см~, а напряженность электрического поля составляет 10"-10" В/см. ~ 158. Ширина спектральных линий и затухание излучения Уже неоднократно указывалось, что идеальное монохроматическое излучение представляет собой фикцию и что в реальных случаях излучение всегда соответствует некоторому интервалу длин волн. Правда, излучение разреженных газов, поставленных в специально благоприятные условия, может довольно близко подходить к этому воображаемому случаю; так, наблюдаются спектральные «линии», в излучении которых представлены со сколько-нибудь измеримой интенсивностью длины волн, заключенные в интервале, не превышающем нескольких тысячных ангстрема.

Еще более монохроматично излучение оптических квантовых генераторов,но и здесь энергия сосредоточена в конечном, хотя и очень малом спектральном интервале ~см. ~ 228). В большинстве же случаев из,лучение атомов гораздо сильнее отличается от монохроматического и представляет собой набор излучений, длины волн которых варьируют в пределах нескольких сотьгх и даже десятых ангстрема. При повьппении давления пара линии излучения расширяются все больше и больше и постепенно излучение теряет даже приблизительно монохроматический характер, переходя в сплошное излучение, подобное излучению накаленных твердых тел. ГЛ. ХХЧП1.

Характеристики

Список файлов книги