Учебник - Оптика - Алешкевич В.А. (1238765), страница 12
Текст из файла (страница 12)
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.
Ôóíäàìåíòàëüíîé õàðàêòåðèñòèêîé ýòîãîèçëó÷åíèÿ ÿâëÿåòñÿ ñïåêòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü unT îáúåìíîé ïëîòíîñòè ýíåðãèèuT ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ:uT =¥1(e 0 E 2 + m 0 H 2 ) = ò u nT d n ,20(6.1)ãäå unT óíèâåðñàëüíàÿ ôóíêöèÿ ÷àñòîòû n, çàâèñÿùàÿ îò òåìïåðàòóðû T êàêîò ïàðàìåòðà.Ïðàâèëî Ïðåâî. Ïóñòü âíóòðè àäèàáàòè÷åñêîé îáîëî÷êè íàõîäÿòñÿ äâà òåëà,îáëàäàþùèå ðàçëè÷íîé ñïîñîáíîñòüþ ïîãëîùàòü ñâåò (íàïðèìåð, õîðîøî ïîãëîùàþùèé óãîëü è ìàëî ïîãëîùàþùèé, íî ñèëüíî îòðàæàþùèé ñâåò ìåë, ðèñ. 6.1).Èç ôàêòà ñóùåñòâîâàíèÿ òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ ñëåäóåò óòâåðæäåíèå: åñëè äâà òåëà ïîãëîùàþò ðàçíûå êîëè÷åñòâà ýíåðãèè, òî è èõ èñïóñêàíèåðàçëè÷íî.
Ýòî óòâåðæäåíèå áûëî ñôîðìóëèðîâàíî â 1809 ã. øâåéöàðñêèì ôèçèêîì Ï. Ïðåâî è ïîëó÷èëî íàçâàíèå ïðàâèëà Ïðåâî. Ñëåäóÿ ýòîìó ïðàâèëó, ìîæíî óòâåðæäàòü, ÷òî óãîëü ëó÷øå èçëó÷àåò, ÷åì ìåë. Äåéñòâèòåëüíî, åñëè óãîëüè ìåë íàãðåòü â ïå÷è äî îäèíàêîâîéòåìïåðàòóðû ïîðÿäêà 1000 ° è çàòåìèõ èçâëå÷ü èç ïå÷è, òî â çàòåìíåííîéàóäèòîðèè óãîëü áóäåò áåëûì, à ìåë òåìíûì.Çàêîí Êèðõãîôà. Êîëè÷åñòâåííóþèíòåðïðåòàöèþ ïðàâèëà Ïðåâî ìîæíîÐèñ. 6.1ñôîðìóëèðîâàòü ñëåäóþùèì îáðàçîì:58ñïîñîáíîñòü òåëà ê èçëó÷åíèþ îïðåäåëÿåòñÿ ïîòîêîì ýíåðãèè, èñïóñêàåìîé åäèíèöåé ïëîùàäè ïîâåðõíîñòè â åäèíèöó âðåìåíè â òåëåñíîì óãëå 2p. Íà ðèñ. 6.2 ñõåìàòè÷íîèçîáðàæåí ïðîöåññ èçëó÷åíèÿ åäèíè÷íîé ïëîùàäêîé ïîâåðõíîñòè òåëà, èñïóñêàþùåé ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû,èçîáðàæåííûå âîëíèñòûìè ñòðåëêàìè.
Òàêèìè ñòðåëêàìèïðèíÿòî îáîçíà÷àòü êâàíòû ñâåòà (ôîòîíû).Ýòîò ïîòîê ET íàçûâàåòñÿ èçëó÷àòåëüíîé ñïîñîáíîñòüþòåëà. Èçëó÷àòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü ðàñïðåäåëåíà ïî ÷àñòîòàì èëè äëèíàì âîëí:¥¥00E T = ò E n T d n = ò E lT d l .Ðèñ. 6.2(6.2)Îíà çàâèñèò îò ïðèðîäû íàãðåòîãî òåëà è åãî òåìïåðàòóðû. Ñïåêòðàëüíûåïëîòíîñòè EnT è ElT îïèñûâàþò ñïåêòð òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ. Îíè ñâÿçàíû î÷åâèäíûì óñëîâèåì:EnT dn = ElT d l.Ïîñêîëüêó n =c-c, òî d n = 2 d l, ïîýòîìólll2E nT =E lT .c(6.3)(6.4)Ïðè òåðìîäèíàìè÷åñêîì ðàâíîâåñèè íà åäèíèöó ïîâåðõíîñòè ïàäàåò ïîòîêeT, èìåþùèé ðàñïðåäåëåíèå ïî ÷àñòîòàì enT. Ñïîñîáíîñòü òåëà ê ïîãëîùåíèþõàðàêòåðèçóåòñÿ ïîãëîùàòåëüíîé ñïîñîáíîñòüþAnT =E nT,e nT(6.5)ðàâíîé îòíîøåíèþ ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ïîãëîùåííîé ýíåðãèè (ïðè ðàâíîâåñèè îíà ðàâíà ïëîòíîñòè èçëó÷åííîé ýíåðãèè EnT) ê ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòèóïàâøåãî ïîòîêà. Ïîãëîùàòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü çàâèñèò îò ÷àñòîòû è òåìïåðàòóðû.Îïûò ïîêàçûâàåò, ÷òî ïðè òåðìîäèíàìè÷åñêîì ðàâíîâåñèè ñïåêòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü enT ïàäàþùåãî ïîòîêà ÿâëÿåòñÿ óíèâåðñàëüíîé ôóíêöèåé ÷àñòîòû n è òåìïåðàòóðû T è íå çàâèñèò îò ïðèðîäû íàãðåòûõ òåë.Ôîðìóëà (6.5), çàïèñàííàÿ â âèäåE nT= e nT ,AnT(6.6)ïîçâîëÿåò óòâåðæäàòü, ÷òî äëÿ òåëà ëþáîé ïðèðîäû îòíîøåíèå èçëó÷àòåëüíîéè ïîãëîùàòåëüíîé ñïîñîáíîñòåé ÿâëÿåòñÿ óíèâåðñàëüíîé ôóíêöèåé ÷àñòîòû è òåìïåðàòóðû.
Ýòî óòâåðæäåíèå è ÿâëÿåòñÿ çàêîíîì Êèðõãîôà.Òàêèì îáðàçîì, âî ãëàâó óãëà ñòàâèòñÿ ôóíäàìåíòàëüíàÿ õàðàêòåðèñòèêàðàâíîâåñíîãî òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ enT. Îíà ñâÿçàíà ñî ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòüþ unT ñîîòíîøåíèåìe nT =cu nT .4(6.7)59EnT = enTбаenTаУгольбEnT = AnT enTМелÐèñ. 6.3Ïîäîáíîå ñîîòíîøåíèå ñâÿçûâàåò (â ìîëåêóëÿðíîé ôèçèêå) ïîòîê ÷àñòèöíà åäèíèöó ïëîùàäè ñ èõ êîíöåíòðàöèåé, êîãäà ñðåäíÿÿ ñêîðîñòü ÷àñòèö ðàâíà c.Ïîãëîùàòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü ìîæåò ñèëüíî ðàçëè÷àòüñÿ (ëó÷øå âñåãî ïîãëîùàþò ñâåò îêñèäû ìåòàëëîâ, ñàæà, óãîëü).
Åñëè AnT = 1, òî òàêîå òåëî íàçûâàåòñÿ àáñîëþòíî ÷åðíûì. Åñòåñòâåííî, ÷òî ýòî ôèçè÷åñêàÿ àáñòðàêöèÿ, êàêè àáñîëþòíî òâåðäîå òåëî â ìåõàíèêå.Õîðîøåé èëëþñòðàöèåé çàêîíà Êèðõãîôà ÿâëÿåòñÿ îïûò, ñóòü êîòîðîãî èçîáðàæåíà íà ðèñ. 6.3.Åñëè â ïå÷ü ïîìåñòèòü óãîëü è ìåë è ïðè äîñòèæåíèè òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿíàáëþäàòü èõ ÷åðåç ìàëîå îòâåðñòèå â ïå÷è, òî îíè áóäóò ïðàêòè÷åñêè íåðàçëè÷èìûìè. Óãîëü ïîãëîùàåò âåñü ïîòîê enT è ýòîò æå ïîòîê èçëó÷àåò. Ìåë ïîãëîùàåò òîëüêî ÷àñòü ýòîãî ïîòîêà AnT enT, à ÷àñòü, ðàâíóþ (1 - AnT)enT, îòðàæàåò. Ìåë èçëó÷àåò EnT = AnT enT, ÷òî âìåñòå ñ îòðàæåííîé ýíåðãèåé ñîñòàâèò âåëè÷èíó enT.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
