Испускание и поглощение света

Пламя излучает свет. Стекло поглощает ультрафиолетовые лучи. Обычные фразы, привычные понятия. Однако здесь термины "излучает","поглощает" описывают только внешне. А вот физика этих процессов непосредственно связана со строением атомов и молекул вещества.

Атом - квантовая система, его внутренняя энергия - это, в основном, энергия взаимодействия электронов с ядром; эта энергия согласно квантовым законам может иметь только вполне определенные для каждого состояния атомов значения. Таким образом, энергия атома не может меняться непрерывно, а только скачками - порциями, равными разности каких-либо двух разрешенных значений энергии.

Квантовая система (атом, молекула), получая извне порцию энергии возбуждается, т.е. переходит с одного энергетического уровня в другой, более высокий. В возбужденном состоянии система не может находится сколь угодно долго; в какой-то момент происходит самопроизвольный (спонтанный) обратный переход с выделением той же энергии. Квантовые переходы могут быть излучательные и безизлучательные. В первом случае энергия поглощается или испускается в виде порции электромагнитного излучения, частота которого строго определена разностью энергий тех уровней, между которыми происходит переход. В случае безызлучательных переходов система получает или отдает энергию при взаимодействиями с другими системами (атомами, молекулами, электронами). Наличие этих двух типов переходов объясняется оптико-акустический эффект Бейнгерова.

При облучении газа, находящегося в замкнутом объеме, потоком инфракрасного излучения в газе возникают пульсации давления (оптико-аккустический эффект). Его механизм довольно прост; поглощение инфракрасного излучения происходит с возбуждением молекул газа, обратный же переход происходит безызлучательно, т.е. энергия возбуждения молекул переходит в их кинетическую энергию, что обуславливает изменение давления.

Количественные характеристики эффекта весьма чувствительные к составу газовой смеси. Применение оптико-акустического эффекта характеризуется простотой и надежностью, высокой избирательностью и широким диапазоном концентраций компонентов.

Оптико-акустический индикатор представляет собой неселективный приемник лучистой энергии, предназначенный для анализа газов. Промодулированный лучистый поток через флюоритовое окно попадает в камеру с исследуемым газом. Под действием потока меняется давление газа на мембрану микрофона, в результате чего в цепи микрофона возникают электрические сигналы, зависящие от состава газа.

Оптико-акустический эффект используется при измерении времен жизни возбуждения молекул, в ряде работ по определению влажности и потоков излучения. Отметим, что оптико-акустический эффект возможен также в жидкостях и твердых телах.

Атомы каждого вещества имеют свою, только им присущую структуру энергетических уровней, а следовательно, и структуру излульных переходов, которые можно зарегистрировать оптическими методами (например, фотографически). Это обстоятельство лежит в основе анализа. Так как молекулы - тоже сугубо квантовые системы, то каждое вещество (совокупность атомов или молекул) испускает и поглощает только кванты определенных энергии или электромагнитное излучение определенных длин волн). Интенсивность тех или иных спектральных линий пропорциональна числу атомов (молекул), излучающих (или поглощающих) свет. Это соотношение составляет основу количественного спектрального анализа.

Концентрацию известных газов в смеси измеряют по пропусканию излучения лазерного источника с определенной длиной волны. Предварительно облучают монохроматическими излучениями с различными длинами волн каждый из содержащихся в смеси газов, концентрация которых известна, и определяют коэффициент поглощения каждого газа для каждой длины волны. Затем при этих длинах волн измеряют поглощение испытуемой смеси и, используя полученные величины коэффициента поглощения, определяют концентрацию каждого газа в смеси. При измерениях с излучением, содержанием большее число длин волн, чем находится компонентов в газовой смеси, можно обнаружить наличие неизвестных газов.

Для атомов и молекул спектры излучения будут линейчатыми и полосатыми соответственно, то же и для спектров поглощения. Чтобы получить сплошной спектр, необходимо наличие плазмы, т.е. ионизированного состояния вещества. При ионизации электроны находятся вне атома или молекулы, и, следовательно могут иметь любые, непрерывно меняющиеся энергии. При рекомендации этих электронов и ионов получается сплошной спектр, в котором присутствуют все длины волн.

Введение. Теория Эйнштейна

Большой вклад в разработку вопроса о вынужденном излучении (испускании) внес А. Эйнштейн. Гипотеза Эйнштейна состоит в том, что под действием электромагнитного поля частоты ω молекула (атом) может:

· перейти с более низкого энергетического уровня на более высокий с поглощением фотона энергией (см. рис. 1a);

· перейти с более высокого энергетического уровня на более низкий с испусканием фотона энергией (см. рис. 1б);

· кроме того, как и в отсутствие возбуждающего поля, остаётся возможным самопроизвольный переход молекулы (атома) с верхнего на нижний уровень с испусканием фотона энергией (см. рис. 1в).

Первый процесс принято называть поглощением, второй — вынужденным (индуцированным) испусканием, третий — спонтанным испусканием. Скорость поглощения и вынужденного испускания фотона пропорциональна вероятности соответствующего перехода: и где — коэффициенты Эйнштейна для поглощения и испускания, — спектральная плотность излучения.

Число переходов с поглощением света выражается как

с испусканием света даётся выражением:

где — коэффициент Эйнштейна, характеризующий вероятность спонтанного излучения, а — число частиц в первом или во втором состоянии соответственно. Согласно принципу детального равновесия, при термодинамическом равновесии число квантов света при переходах должно равняться числу квантов испущенных в обратных переходах

Углекислотный лазер

Поверхность исследуемой мишени мгновенно испаряется и вспыхивает при облучении мощным длительным импульсом углекислотного лазера (излучает десятки киловатт инфракрасного излучения). Оператор стоит за листами плексигласа, непрозрачного в инфракрасном свете.

Углекислотный лазер (CO₂ лазер) — один из первых видов газовых лазеров (изобретен в 1964 году^[1]). Самые мощные лазеры с непрерывным излучением на начало 21 века. Их КПД может достигать 20%. Используются длягравировки резины и пластика, резки стекла и металлов, сварки металлов, в том числе с очень высокой теплопроводностью, таких как алюминий и латунь.

Углекислотные лазеры излучают в инфракрасном диапазоне, с длиной волны около 9.4-10.6 мкм.

Устройство лазера

Активной средой углекислотных лазеров является газообразная смесь CO₂, N₂, He. Иногда также добавляется H₂или Xe. Точное соотношение зависит от реализации, но CO₂ и N₂ типично составляют 5-20%. Инверсия населённостей достигается с помощью газового разряда, причем сначала возбуждается вибрация в молекулах азота, затем путем столкновений часть энергии передается молекулам CO₂. Дальнейшее охлаждение газа в активной среде производится гелием, а трубка, в которой заключена активная среда, охлаждается газом или водой (в мощных лазерах).

Так как CO₂ лазеры генерируют ИК-излучение, для них используются специальные материалы. Зеркала используют серебряное покрытие, а линзы и окна делают из германия или селенида цинка. Для мощных лазеров предпочтительны позолоченные зеркала и селенид цинка для прозрачных элементов. Иногда используют дорогие алмазные окна и линзы. Первые CO2 лазеры могли использовать оптику из солей (NaCl, KCl).

Поиск по сайту: