В.А. Алекшевич - Оптика (1120564), страница 11
Текст из файла (страница 11)
ôîðìóëó (2.1)). Êîýôôèöèåíò B12 íàçûâàåòñÿ êîýôôèöèåíòîì Ýéíøòåéíàäëÿ âûíóæäåííîãî ïîãëîùåíèÿ. Êàê áóäåò ïîêàçàíî äàëåå, B12 ñâÿçàí ñ A21. Âûíóæäåííîå ïîãëîùåíèå â êëàññè÷åñêîé ýëåêòðîäèíàìèêå ñâÿçàíî ñ ïîòåðåé ýíåðãèèñâåòîâîé âîëíû ïðè ñîâåðøåíèè åþ ðàáîòû íàä îñöèëëÿòîðîì ýëåêòðîíîì.Âûíóæäåííîå èçëó÷åíèå. Ïðè âûíóæäåííîì èçëó÷åíèè àòîì ïåðåõîäèò (êàê èïðè ñïîíòàííîì èçëó÷åíèè) ñ óðîâíÿ W2 íà óðîâåíü W1 ñ âåðîÿòíîñòüþdpN = B 21u ndt = -dN 2,N2(5.22)ãäå B21 êîýôôèöèåíò Ýéíøòåéíà äëÿ âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ. Îí òàêæå ñâÿçàíñ êîýôôèöèåíòîì A21.Ïðè âûíóæäåííîì èçëó÷åíèè ðîæäàþòñÿ ôîòîíû, íåîòëè÷èìûå îò òåõ, êîòîðûå íàõîäÿòñÿ â ïàäàþùåì èçëó÷åíèè.
Ñ êëàññè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ ýòî ìîæíîèíòåðïðåòèðîâàòü òàê, ÷òî ôàçà, ÷àñòîòà, ñîñòîÿíèå ïîëÿðèçàöèè è íàïðàâëåíèåðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷àåìîé âîëíû òàêèå æå, êàê è ó ïàäàþùåé.Èçëó÷åíèå ìîëåêóë. Ó îäíîàòîìíûõ ãàçîâ (íàïðèìåð, áëàãîðîäíûõ ãàçîâ,ïàðîâ ìåòàëëîâ) ñïåêòðû èçëó÷åíèÿ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé (êàê è ó àòîìàðíîãîâîäîðîäà) ðÿä ëèíèé. Òàêîé ñïåêòð íàçûâàåòñÿ ëèíåé÷àòûì. Åñëè æå ãàç ñîñòîèòèç ìîëåêóë, ñîäåðæàùèõ äâà è áîëåå àòîìà, òî ñïåêòðàëüíûå ëèíèè ãðóïïèðóþòñÿ â ïîëîñû, è ñïåêòð íàçûâàþò ëèíåé÷àòî-ïîëîñàòûì.
Âîçáóäèòü ìîëåêóëÿðíûå ñïåêòðû ìîæíî â ïëàìåíè ãîðåëêè, ýëåêòðè÷åñêîé äóãå, èçáåãàÿ ïðèýòîì ðàñïàäà (äèññîöèàöèè) ìîëåêóë.54Ìîëåêóëÿðíûå ñïåêòðû çíà÷èòåëüíî ñëîæíåå àòîìíûõ. Èõ ìîæíî èñòîëêîâàòü, åñëè êîððåêòíî ðàññ÷èòàòü ýíåðãèþ ìîëåêóëû. Ýòà ýíåðãèÿ â áîëüøåéñòåïåíè ñâÿçàíà ñ ýëåêòðîííîé êîíôèãóðàöèåé. Îäíàêî ïðè çàäàííîé êîíôèãóðàöèè ìîëåêóëû ìîãóò èìåòü ðàçíûå ýíåðãåòè÷åñêèå ñîñòîÿíèÿ, îáóñëîâëåííûå îòíîñèòåëüíûìè êîëåáàíèÿìè àòîìîâ è èõ âðàùåíèåì îòíîñèòåëüíî öåíòðà ìàññ.Ýíåðãèþ ìîëåêóëû ìîæíî â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè ïðåäñòàâèòü â âèäåW = We + WL + Wr ,(5.23)ãäå We ýíåðãèÿ, îáóñëîâëåííàÿ ýíåðãèåé ýëåêòðîíîâ (ýëåêòðîííàÿ ýíåðãèÿ);WL ýíåðãèÿ, îáóñëîâëåííàÿ êîëåáàíèÿìè ÿäåð (âèáðàöèîííàÿ ýíåðãèÿ);Wr ýíåðãèÿ, îáóñëîâëåííàÿ âðàùåíèåì ÿäåð (ðîòàöèîííàÿ ýíåðãèÿ).
Âñå ýòèâåëè÷èíû ìîãóò ïðèíèìàòü òîüêî äèñêðåòíûå (êâàíòîâàííûå) çíà÷åíèÿ.Ó äâóõàòîìíîé ìîëåêóëû èìååòñÿ îäíà êîëåáàòåëüíàÿ ñòåïåíü ñâîáîäû. Êîëåáàòåëüíàÿ ýíåðãèÿ ýòî ýíåðãèÿ ãàðìîíè÷åñêîãî êâàíòîâîãî îñöèëëÿòîðà1öæW L = h nL ç L + ÷ ,è2ø(5.24)ãäå L = 0, 1, 2, ¾ êîëåáàòåëüíîå êâàíòîâîå ÷èñëî.Ïðè âðàùåíèè ìîëåêóëû åå ìîìåíò êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ ðàâåí L =h=r (r + 1) , ãäå r = 0, 1, 2, ¾ âðàùàòåëüíîå êâàíòîâîå ÷èñëî. Ýíåðãèÿ ïðè2pýòîì âðàùåíèèWr =L2h2=r (r + 1),2J 0 8p 2J 0(5.25)ãäå J0 ìîìåíò èíåðöèè ìîëåêóëû.Èñïóñêàíèå ñâåòà ïðîèñõîäèò ñ ÷àñòîòîé, óäîâëåòâîðÿþùåé óñëîâèþhn 21 = W 2 - W1 = W e 2 - W e1 + W L 2 - W L1 + W r 2 - W r 1 = hn e + hn L + hn r . (5.26)×àñòîòû ýëåêòðîííûõ ïåðåõîäîâ ne ñîîòâåòñòâóþò áëèçêîé ÈÊ-, âèäèìîéè ÓÔ-îáëàñòÿì ñïåêòðà, äëèíû âîëí le ~ 0,1 1,0 ìêì. ×àñòîòû nL ñîîòâåòñòâóþò áëèçêîé ÈÊ-îáëàñòè è lL ~ 1,0 50 ìêì.v=2×àñòîòû nr ïðèíàäëåæàò ìèëëèìåòðîâîìó è äàæåñàíòèìåòðîâîìó äèàïàçîíó: lr ~ 50 1 000 ìêì.W2v=1 ñèëó ýòîãî ñòðóêòóðà ýíåðãåòè÷åñêèõ óðîâíåéïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñèñòåìû óðîâíåé (ðèñ.
5.2).v=0We2Ñèòóàöèÿ âûãëÿäèò òàê, êàê åñëè áû êàæäûéèç ýëåêòðîííûõ óðîâíåé «ðàñùåïèëñÿ» íà êîëåáàòåëüíûå óðîâíè ñ êâàíòîâûì ÷èñëîì L, à îíè âñâîþ î÷åðåäü «ðàñùåïëÿþòñÿ» íà åùå áîëåå òåñíîðàñïîëîæåííûå âðàùàòåëüíûå óðîâíè.v=2Ïðè ïàäåíèè ñâåòà íà âåùåñòâî ìîæåò áûòüïîãëîùåí êâàíò ñâåòà. Ýòîò ïðîöåññ èçîáðàæåí W1v=1ñòðåëêàìè, íàïðàâëåííûìè ââåðõ, à äëèíà ñòðåv=0ëîê îòîáðàæàåò ýíåðãèþ êâàíòà. ÐàçðåøåííûìèWe1áóäóò ëèøü òå ïåðåõîäû, äëÿ êîòîðûõ Dr = ±1.
ÝòèÐèñ. 5.2îãðàíè÷åíèÿ íàçûâàþòñÿ ïðàâèëàìè îòáîðà.55Ïîñëå ïîãëîùåíèÿ ìîæåò âîçíèêíóòü ðÿä ñïîíòàííûõ ïåðåõîäîâ (èçîáðàæåíûñòðåëêàìè, íàïðàâëåíûìè âíèç), ïðè êîòîðûõ è áóäåò âîçíèêàòü èçëó÷åíèåñ ïîëîñàòûì ñïåêòðîì. Åñòåñòâåííî, ÷òî âîçáóæäàòü ìîëåêóëÿðíûå ñïåêòðû,êàê è àòîìíûå, ìîæíî è äðóãèìè ñïîñîáàìè: ýëåêòðè÷åñêèì ðàçðÿäîì,â ïëàìåíè ãîðåëêè, â ýëåêòðè÷åñêîé äóãå è ò. ä.Íà ðèñ. 5.4 öâ. âêë. ïîêàçàíû íåêîòîðûå ñïåêòðàëüíûå ëèíèè àòîìàðíîãîíàòðèÿ, ïàðîâ ìåäè, ïîëîñàòûå ñïåêòðû ìîëåêóë CN è C2 â óãîëüíîé äóãåè ïàðîâ ìîëåêóëû éîäà.Ëþìèíåñöåíöèÿ.
Ïðè âîçáóæäåíèè ñâåòîì ãàçû, æèäêîñòè è òâåðäûå òåëàìîãóò èñïóñêàòü èçëó÷åíèå (â âèäå ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé, ïîëîñ è ñïëîøíîãîñïåêòðà). Êàê ïðàâèëî, äëèíû âîëí èçëó÷àåìîãî ñâåòà ïðåâûøàþò äëèíó âîëíûâîçáóæäàþùåãî ñâåòà. Ýòî ÿâëåíèå íîñèò íàçâàíèå ëþìèíåñöåíöèÿ.Íà ðèñ. 5.5 öâ. âêë. êðàñíûì öâåòîì ñâåòèòñÿ êðèñòàëë ðóáèíà, êîòîðûé âîçáóæäàåòñÿ çåëåíûì ñâåòîì Ar-ëàçåðà, ïàäàþùèì ñëåâà. Îïûò ïîêàçûâàåò, ÷òîïðè ïðåêðàùåíèè îáëó÷åíèÿ ëþìèíåñöåíöèÿ áóäåò ïðîäîëæàòüñÿ íåêîòîðîåâðåìÿ (âðåìÿ ïîñëåñâå÷åíèÿ), êîòîðîå íàìíîãî ïðåâûøàåò ïåðèîä îïòè÷åñêèõêîëåáàíèé.
Äëèòåëüíîñòü ïîñëåñâå÷åíèÿ të çàíèìàåò áîëüøîé âðåìåííîé äèàïàçîí: 10-9 ñ < të < 106 ñ.Åñëè ëþìèíåñöåíöèÿ èñ÷åçàåò áûñòðî (të ~ 10-9 10-8 ñ), òî îíà íàçûâàåòñÿôëþîðåñöåíöèåé. Åñëè æå ïðîöåññ ïîñëåñâå÷åíèÿ äëèòåëåí, òî èìååò ìåñòî ôîñôîðåñöåíöèÿ. Òàêîå äåëåíèå ëþìèíåñöåíöèè âåñüìà óñëîâíî, è âðåìåííàÿ ãðàíèöà äëÿ të îòñóòñòâóåò. Îäíàêî ìåõàíèçìû ôëþîðåñöåíöèè è ôîñôîðåñöåíöèè ïðèíöèïèàëüíî ðàçíûå.Èçìåíåíèå ÷àñòîòû èñïóñêàåìîãî ñâåòà ïî îòíîøåíèþ ê ÷àñòîòå âîçáóæäàåìîãî ñâåòà áûëî îáíàðóæåíî Äæ.
Ñòîêñîì è íîñèò íàçâàíèå ïðàâèëà Ñòîêñà.Ñîãëàñíî ýòîìó ïðàâèëó ñïåêòð ôëþîðåñöåíöèè ñäâèíóò â ñòîðîíó äëèííûõâîëí ïî ñðàâíåíèþ ñî ñïåêòðîì ïîãëîùåíèÿ. Êîìïîíåíòû ñïåêòðà ëþìèíåñöåíöèè ïîëó÷èëè íàçâàíèå ñòîêñîâûõ êîìïîíåíò. Îäíàêî áûëè îáíàðóæåíûè àíòèñòîêñîâûå êîìïîíåíòû, ñäâèíóòûå â ïðîòèâîïîëîæíóþ, êîðîòêîâîëíîâóþ, îáëàñòü.Ñ ýíåðãåòè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ îáà ÿâëåíèÿ îïèñûâàþòñÿ ñîîòíîøåíèåìhn = hn 0 - W ,(5.27)ãäå hn0 ýíåðãèÿ ôîòîíà, âîçáóæäàþùåãî àòîì; hn ýíåðãèÿ èçëó÷åííîãîïðè ëþìèíåñöåíöèè ôîòîíà.Äëÿ ñòîêñîâûõ êîìïîíåíò ÷àñòü W ýíåðãèè âîçáóæäàþùåãî ôîòîíà ðàñõîäóåòñÿ íà âíóòðèìîëåêóëÿðíûå ïðîöåññû.
Äëÿ àíòèñòîêñîâûõ êîìïîíåíò W < 0. ýòîì ñëó÷àå èçëó÷àåìûé ôîòîí çàèìñòâóåò ýíåðãèþ òåïëîâûõ êîëåáàíèé àòîìîâ èëè ìîëåêóë. Ýòîò âûâîä ïîäòâåðæäàåòñÿ ïîâûøåíèåì èíòåíñèâíîñòè àíòèñòîêñîâûõ êîìïîíåíò ïðè íàãðåâàíèè âåùåñòâà.Ïîÿâëåíèå ñòîêñîâûõ è àíòèñòîêñîâûõ êîìïîíåíò èëëþñòðèðóåòñÿ íàðèñ. 5.2.
Çäåñü ÷àñòîòà ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ìåíüøå ÷àñòîòû âûíóæäàþùåãî êâàíòà, êîãäà ïðîöåññ âîçáóæäåíèÿ ïîêàçàí ñòðåëêîé ââåðõ ñëåâà. Îäíàêî åñëèïðåäâàðèòåëüíî âîçáóäèòü àòîì êàêèì-ëèáî ñïîñîáîì, òî ýòè ëèíèè ëþìèíåñöåíöèè âîçíèêíóò ïðè îáëó÷åíèè êâàíòîì ìåíüøåé ýíåðãèè (ñòðåëêà ñïðàâà).Ñïåêòðû èçëó÷åíèÿ äâóõàòîìíûõ ìîëåêóë äîñòàòî÷íî õîðîøî ðàñøèôðîâûâàþòñÿ. Èõ àíàëèç ïîçâîëÿåò îöåíèòü ìîìåíò èíåðöèè ìîëåêóëû, ÷àñòîòûìîëåêóëÿðíûõ êîëåáàíèé è ò. ä. Ãîðàçäî ñëîæíåå ñâÿçàòü ñïåêòðû èçëó÷åíèÿ56ñî ñòðóêòóðîé ìíîãîàòîìíûõ ìîëåêóë. Ðàñ÷åò ýíåðãèé èõ ñòàöèîíàðíûõ ñîñòîÿíèéçà÷àñòóþ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé âåñüìà òðóäíóþ çàäà÷ó. Êðîìå òîãî, èíòåíñèâíîñòü ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé íåâåëèêà, à ðàçëè÷èå â ÷àñòîòàõ áûâàåò âåñüìà íåçíà÷èòåëüíûì.
Âñå ýòî çàòðóäíÿåò èçó÷åíèå ìíîãîàòîìíûõ ìîëåêóë.Ëèíåé÷àòî-ïîëîñàòûå ñïåêòðû èçëó÷àþò ñðàâíèòåëüíî ðàçðåæåííûå ìîëåêóëÿðíûå ãàçû è ïàðû âåùåñòâ. Ñ ïîâûøåíèåì èõ ïëîòíîñòè âîçíèêàåò âçàèìîäåéñòâèå ìîëåêóë, ïðèâîäÿùåå ê èçìåíåíèþ ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé.  ïëîòíûõ ãàçàõ, æèäêîñòÿõ è òâåðäûõ òåëàõ óðîâíè ðàñøèðÿþòñÿ è ñëèâàþòñÿ â ýíåðãåòè÷åñêèå çîíû.
Ïðè ïåðåõîäàõ àòîìîâ è ìîëåêóë îäíîé çîíû â äðóãóþ èçëó÷àåòñÿ ñïëîøíîé ñïåêòð â ïðåäåëàõ îãðàíè÷åííîé ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè.Ëþìèíåñöèðóþùèå âåùåñòâà íàçûâàþòñÿ ëþìèíîôîðàìè. ×òîáû âåùåñòâîáûëî ñïîñîáíî ëþìèíåñöèðîâàòü, íåîáõîäèìî, ÷òîáû ýíåðãåòè÷åñêèå çîíûíå ïåðåêðûâàëèñü, ò. å. îíè äîëæíû áûòü ðàçäåëåíû çàïðåùåííûìè çîíàìè.Ìåòàëëû, íàõîäÿñü â òâåðäîé è æèäêîé ôàçàõ, íå ëþìèíåñöèðóþò, ïîñêîëüêóíå èìåþò çàïðåùåííûõ çîí. Ýíåðãèÿ âîçáóæäàþùåãî ñâåòà â íèõ ïîëíîñòüþïåðåõîäèò â òåïëîâóþ ýíåðãèþ.Ïîìèìî ýòîãî, â âåùåñòâå âîçáóæäåííûé àòîì ìîæåò ñîâåðøàòü è áåçûçëó÷àòåëüíûé ïåðåõîä â áîëåå íèçêèå ýíåðãåòè÷åñêèå ñîñòîÿíèÿ, îòäàâàÿ ýíåðãèþ äðóãèì ìîëåêóëàì èëè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêå.
Ýòî ïðèâîäèò ê òàê íàçûâàåìîìó òóøåíèþ ëþìèíåñöåíöèè.Âåðîÿòíîñòü áåçûçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ âîçðàñòàåò ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû (òåìïåðàòóðíîå òóøåíèå), êîíöåíòðàöèè (êîíöåíòðàöèîííîå òóøåíèå)è ïðèìåñåé (ïðèìåñíîå òóøåíèå). Ïîýòîìó åùå îäíèì íåîáõîäèìûì óñëîâèåìâîçíèêíîâåíèÿ ëþìèíåñöåíöèè ÿâëÿåòñÿ ïðåâûøåíèå âåðîÿòíîñòè èçëó÷àòåëüíûõ ïåðåõîäîâ íàä âåðîÿòíîñòüþ áåçûçëó÷àòåëüíûõ.ËÅÊÖÈß 6Òåïëîâîå èçëó÷åíèå. Òåëà, íàãðåòûå äî òåìïåðàòóðû âûøå 500 °Ñ, íà÷èíàþòñâåòèòüñÿ ò.å.
èçëó÷àòü âèäèìûé ñâåò. Õîðîøî èçâåñòíî, ÷òî ïî ìåðå ïîâûøåíèÿòåìïåðàòóðû óãîëü â êîñòðå èëè ðàñêàëåííûå ìåòàëëû êðàñíóþ îêðàñêó ñìåíÿþòíà áåëóþ. Ýòî ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî ñïåêòð èõ èçëó÷åíèÿ îáîãàùàåòñÿáîëåå êîðîòêèìè âîëíàìè.Îïûò ïîêàçûâàåò, ÷òî åñëè â íåêîòîðîì îáúåìå, îêðóæåííîì îáîëî÷êîé,íàõîäÿòñÿ íàãðåòûå òåëà, òî òàì ñóùåñòâóåò è ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå.Íàïðèìåð, ïðè îòêðûòèè äâåðöû òîïêè äðîâÿíîé ïå÷è îùóùàåòñÿ æàð, îáóñëîâëåííûé âûõîäÿùèì èç òîïêè ýëåêòðîìàãíèòíûì èçëó÷åíèåì. Åñëè îáîëî÷êà áóäåò àäèàáàòè÷åñêîé (òåïëîíåïðîíèöàåìîé), òî ïî èñòå÷åíèè íåêîòîðîãîâðåìåíè óñòàíîâèòñÿ òåðìîäèíàìè÷åñêîå ðàâíîâåñèå: òåëà áóäóò èìåòü îäèíàêîâóþ òåìïåðàòóðó, à èçëó÷åíèå îáúåìíóþ ïëîòíîñòü ýíåðãèè, ðàñïðåäåëåíèå êîòîðîé ïî äëèíàì âîëí íå çàâèñèò îò ïðèðîäû òåë è ñòåíîê, à îïðåäåëÿåòñÿ ëèøüèõ òåìïåðàòóðîé.Òàêîå èçëó÷åíèå íàõîäèòñÿ â ðàâíîâåñèè ñ íàãðåòûìè òåëàìè è íàçûâàåòñÿðàâíîâåñíûì òåïëîâûì èçëó÷åíèåì.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
