Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 4
Текст из файла (страница 4)
главу 21). Поскольку световые волны распространяются со скоростью света с, можно плотность мощности связать с плотностью энергии р (энергия/объем), а именно таким образом: Цвет видимого излучения Видимый свет бывает разного цвета, причем эти цвета могут различаться по частоте или длине волн. Человеческий глаз воспринимает длины световых волн с разной степенью чувствительности, как это отчетливо видно на рис.1.3. К видимому диапазону и коротковолновой области примыкает ультрафиолетовый (УФ)-диапазон, а в длинноволновой — инфракрасный (ИК)-диапазон (см. таблицы 1,! и 1.2). Солнечный спектр имеет свой максимум в вилимой области и примерно соответствует излучению черного тела с температурой 6000 К (рис.1.4).
1о, б 1ОФ Е 1ОФ к ш' с 10' г 1ОФ о Рис. 1.3. Спектральное распределение чувствительности человеческого глаза: Ч ()д) со световой адаптацией, Ч' (д.) с темновой адаптацией Кб зв 4,0 2,0 1,5 1,0 200 50 Рвс. 1М. Солнечный спектр в сравнении с излучением абсолютно черного тела при 6000 К(АМ=воздушная масса, АМ О=спектр без атмосферы, АМ 1 = с атмосферой воздуха) 0 0,2 О,б 1,0 1,4 Длина волны Л,мкм о т Ф т 150 Д1 00 э у 1О' 300 400 500 боо 700 800 о Ф л э, л уОО ФФФФФ ли тт т с со э чдэ сэ В т~э со~о да >,сом Ф~ Иоо1х тх длина вОлны, нм ((24 У У.С,, у, рд 'Ьбддмн ЬВ ДЛИНЫ ВОЛН ()С), ЧаСтОта (7) И ЭНЕРГИЯ фОтОНОВ ()17) ЭЛЕКтРОМаГНИтНОГО излучения.
Указанные области спектра четко не выделены, численные значения являются ориентировочными (1 эВ = 1,602 1О-" Дж) 6 10п Гц 6 1О" Гц ~ 7,5 !Он Гц ~, 43,1024Гц 3 10о Гц 3 1024 Гц 3 1О' Гц до 500 пм до 50 нм до 400 нм до 700 нм до 100 мкм до 1 см до 1 км табаева (д. ПрИНятЫЕ ОбОЗНаЧЕНИя ДИН, ДЛИНЫ ВОЛН, ЧаСтОта И ЭНЕрГИя фотонов в диапазоне лазерного излучения 7'( Ю14 Гц) а|(зв) Обозначение (по ДИН 5031) 24 (нм) 100-200 1)Ч-С Вакуумный УФ-диапазон ()Ч-С Дальний УФ-диапазон ()Ч-В Средний УФ-диапазон ()Ч-А ~ Ближний УФ-диапазон Ч18 Свет (видимое излучение) 200-280 280-315 315-380 380-780 780-1400 1400 †30 1К-А Ближний ИК-диапазон 1К-В Ближний ИК-диапазон 1К-С Средний ИК-диапазон 1К-С Дальний ИК-диапазон 3000 — 50000 50000 — 1 мм 1.2.
Атомы: орбиты электронов, уровни энергии Простейшим атомом является атом водорода, который состоит из положительно заряженного ядра (протона) и отрицательно заряженного электрона, связанного с ядром благодаря напряженности электрического поля (кулоновское взаимодействие). По представлению Бора, электрон движется по круговой орбите вокруг ядра, причем имеют место только определенные радиусы искривления (кривизны) траектории (рис.1.5), соответствуюшие определенным орбитальным энергиям Е„. Разрешенная энергия вычисляется на основе главного (первого) квантового числа л: Е =-Е/л2 п=1,2,3,..., (1.8) где Е, отображает энергию ионизации. Для атома водорода действительно: Е,= 13,6 эВ.
Величины энергии Е„(именуемые также энергетическими уровнями, или термами) могут быть представлены в схеме уровней, как это показано на рис.1.6. Отрицательный знак означает, что внутренние орбиты обладают Гамма-излучение Рентгеновское излучение Ультрафиолетовое излучение Видимое излучение Инфракрасное излучение Микроволны (СВЧ) Радиоволны 30-15 15-10,7 10,7-9,5 9,5-7,9 7,9 — 3,9 3,9-2,1 2,1 — 1,0 1,0 — 0,06 0,0 — 0,003 24,8 кзВ 24,8 эВ 3,1 эВ 1,77 эВ 12,4 мэВ 124 мкзВ 1,24 нэВ 12,4 — 6,2 6,2-4,4 4,4-3,9 3,9 — 3,3 3,3 в 1,6 1,6-0,9 0,9-0,4 0,4 — 0,025 0,025-0,001 гг.я: рг р,яр .р,, ф меньшей энергией, чем внешние. Следовательно, приходится подводить соответствующую энергию, чтобы поднять электрон с внутренней орбиты на внешнюю либо совсем удалить от атомного ядра или ионизировать.
К главному квантовому числу и = 1 относится орбита с наименьшим радиусом и с величиной энергии Е, = -Е, = -13,6 эВ. Это то основное состояние, в котором обычно находится атом водорода. Если к атому водорода подвести энергию снаружи, он может перейти в возбужденное состояние. Когда подведенная энергия достигает уровня энергии ионизации Е = 13,б эВ или выше, система переходит в ионизированное состояние.
Электрон больше не движется по замкнутой траектории и уже не связан с атомом. Рис. 1.5. Орбиты электронов атома водорода с радиусами г = 0,53. 10 " л' метров и 1 яя 4 в,р,д,1 3 а,р,д 2 в,р „-10 я 1в — 13,6 Рис. 1.6. Схема энергетических уровней атома водорода с главным квантовым числом и = 1, 2, 3 и орбитальным квантовым числом! =й р, 4у"..., то есть|= О, 1, 2, 3,... 10-и м ум Рие. 1.7. Два примера пространственного распределения вероятности пребывания)у1' электронов в атоме водорода с л = 2 (прочие квантовые числа см, в табл.
1.3). Эти распределения вращательно-симметричны относительно оси е Представленные кривые демонстрируют постоянные значения1з)г1з Таблица 1.3. КпаитОВЫЕ ЧИСЛа ЭЛЕКтрОННЫХ СОСтОяНИй В атОМЕ ВОдОрОда и состояний отдельных электронов в многоэлектронных атомах Квантовое число Возможные величины Физическое значение Важнейший показатель энергии состояния (при многоэлектронных атомах энергия за- висит также от других квантовых чисел). 1,2,3,... = К, Е, лз-оболочка Главное квантовое число л 0,1,2,3,...
(л — 1) = з, р, с3,/!и значений) Орбитальное квантовое число ! Основа определения орбитального радиуса. Определяет вращательный импульс'со- стояния; показывает форму электронного облака, которое в случае ! и 0 не является сферически-симметричным. — !яи,я! (2! + 1 значений) Определяет величину вращательного им- пульса относительно постоянного направ- ления в пространстве (например, магнит- ного поля) и указывает ориентацию атома в пространстве. Показывает значение спина электрона относительно постоянного направления в пространстве. Магнитное квантовое число гл, ш, = — 1/2, ь1/2 (2 значения) Спиновое квантовое число и, Для лазерной техники появление света в атомах, молекулах и твердых телах имеет огромное значение.
Свет возникает благодаря переходу электронов с вышележащего энергетического уровня на нижележащий уровень. Для атома водорода такие перехо- Известная модель атома по Бору получила свое дальнейшее развитие на основе квантовой механики. Согласно этой теории состояние электрона характеризуется не определенной орбитой, а волновой функцией зу, или пространственным распределением вероятности пребывания (орбитальное электронное облако, рис.1.7), что выражается четырьмя квантовыми числами (см. табл. 1.3). 1'Р2 0 О' ГР2 1 01 ды показаны на рис.1.5.
При этом образуются спектральные линии, характерные для того или иного атома. Описание собственно процесса генерации света см. в главе 2. 1.3. Многоалектронные атомы Атомы состоят из положительного ядра и электронной оболочки, в которой находятся в большинстве случаев несколько электронов. Заряд атомного ядра (атомный номер) равен числу электронов, так что атом обычно является электрически нейтральным. Каждый электрон движется в электрическом (кулоновском) поле атомного ядра, которое частично экранируется другими электронами. В модели центрального поля любое состояние электрона может приближенно (как в атоме водорода) характеризоваться определенным электронным облаком с набором из четырех квантовых чисел (л, 1, т„т,) согласно таблице 1.3. По принципу Паули каждый электрон атома должен отличаться от других электронов как минимум одним из четырех квантовых чисел.
При строении атома заполняются сначала состояния с наименьшей энергией— как правило, с самыми низкими главным и орбитальным квантовыми числами. Состояния с одинаковым главным квантовым числом л считаются принадлежащими к одной оболочке. Согласно принципу Паули каждая оболочка способна вместить 2л' электронов. При рассмотрении в периодической системе элементов атомы с возрастающим числом электронов обнаруживают отдельные оболочки с последовательным заполнением (рис.1.8).
При порядковых номерах элементов выше 18 отмечаются неравномерности в структуре электронной оболочки периодической системы. Особенно отчетливо это проявляется в случае редкоземельных элементов, у которых незаполненные внутренние оболочки занимают электроны. о, / ° ! , ° о', 2Не 1Н / / / 1 о у 'о. о.о 55Сз 11нс Рис. 1.8. Строение атомов периодической системы путем заполнении оболочек электронами Энергия электрона у атомов тяжелее водорода определяется уже не только одним главным квантовым числом л, но еще и орбитальным квантовым числом 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
