41. Световые волны. Излучение света атомами.
Свет – это электромагнитные волны с длиной волны 410 -7 -810 -7 м.
Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении
заряженных частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов,
из которых состоит вещество. атомы рождают свет только после их
возбуждения. Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо
передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную
энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток
энергии к его атомам извне.
Тепловое излучение
Наиболее простой и распространенный вид
излучения – это тепловое излучение,
при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются
за счет энергии теплового движения атомов (или молекул)
излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся
атомы. При столкновении быстрых атомов (или молекул) друг с другом
часть их кинетической энергии превращается в энергию
возбуждения атомов, которые затем излучают свет.
Тепловым источником излучения является Солнце, а также обычная
лампа накаливания. Лампа очень удобный, но малоэкономичный
источник. Лишь около 12% всей энергии, выделяемой в нити лампы
электрическим током, преобразуется в энергию света. Наконец,
тепловым источником света является пламя. Крупинки сажи (не
успевшие сгореть частицы топлива) раскаляются за счет энергии,
выделяющейся при сгорании топлива, и испускают свет.
под светом понимают не только видимый свет, но и
примыкающие к нему широкие области спектра. Исторически
появился термин «невидимый свет» —ультрафиолетовый свет,
инфракрасный свет, радиоволны. Длины волн видимого света
лежат в диапазоне от 380 до 740 нанометров, что соответствует
частотам от 790 до 405 терагерц, соответственно.
Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна,
скорость распространения в вакууме которой постоянна,
либо как поток фотонов — частиц, обладающих определённой
энергией, импульсом, собственным моментом импульса и
нулевой массой.Одной из характеристик света является его
цвет, который для монохроматического излучения определяется
длиной волны, а для сложного излучения — его спектральным составом.
Свет на границе между средами испытывает преломление и отражение.
среде, свет поглощается веществом и рассеивается. Оптические
свойства среды характеризуются показателем преломления,
действительная часть которого равна отношению скорости света в
вакууме к скорости света в данной среде, мнимая часть описывает
42 Атом в поле световой волны.
Световые волны испускаются атомами, когда электроны в них переходят
с одной орбиты на другую. Если атом получает энергию, например в форме
тепла, света или электрической энергии, электроны удаляются от ядра на
орбиты с большей энергией. Затем они вновь переходят на более близкие
к ядру орбиты с меньшей энергией, излучая при этом энергию в виде
электромагнитных волн. Так возникает свет.
Рассмотрим схему энергетических уровней некоторого атома (рис.1).
Мы знаем, что, если атому, находящемуся на основном уровне W1, сообщить энергию,
то он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.2а). Наоборот,
возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из
нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта
света (рис.2б). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии Wm
на уровень энергии Wn, то частота излучаемого (или поглощаемого) света νmn = (Wm — Wn)/h.
Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся
газах. Нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние;
переходя в нижние состояния, они излучают свет.
2) Излучение и поглощение света.
Излучение — испускание и распространение энергии в виде волн и частиц.
Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.
Наиболее простой и распространенный вид излучения – это тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы. При столкновении быстрых атомов (или молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет.
Тепловым источником излучения является Солнце, а также обычная лампа накаливания. Лампа очень удобный, но малоэкономичный источник. Лишь около 12% всей энергии, выделяемой в нити лампы электрическим током, преобразуется в энергию света. Наконец, тепловым источником света является пламя. Крупинки сажи (не успевшие сгореть частицы топлива) раскаляются за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, и испускают свет.
Поглощение света — уменьшение интенсивности оптического излучения при прохождении через какую-либо среду за счёт взаимодействия с ней, в результате которого световая энергия переходит в другие виды энергии или в оптическое излучение др. спектрального состава. Основным законом поглощения света, связывающим интенсивность I пучка света, прошедшего слой поглощающей среды толщиной l с интенсивностью падающего пучка I0, является закон Бугера 
Не зависящий от интенсивности света коэф. 
наз. показателем поглощения, причём 
как правило, различен для разных длин волн 
Зависимость 
от длины волны света 
называется спектром поглощения вещества.
3) Спектры. Основы спектрального анализа.
Спектр электромагнитного излучения, упорядоченная по длинам совокупность монохроматических волн, на которую разлагается свет или иное электромагнитное излучение. Типичный пример спектра — хорошо известная всем радуга.
В состав видимого света входят монохроматические волны с различными значениями длин. В излучении нагретых тел (нить лампы накаливания) длины волн непрерывно заполняют весь диапазон видимого света. Такое излучение называется белым светом. Свет, испускаемый, например, газоразрядными лампами и многими другими источниками, содержит в своем составе отдельные монохроматические составляющие с некоторыми выделенными значениями длин волн. Совокупность монохроматических компонент в излучении называется спектром. Белый свет имеет непрерывный спектр, излучение источников, в которых свет испускается атомами вещества, имеет дискретный спектр.
Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральный анализы позволяют определять элементный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.
- Принцип работы: Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.
4) Равновесное излучение.
Равновесное излучение, то же, что тепловое излучение. Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, которое возникает за счет энергии вращательного и колебательного движения атомов и молекул в составе вещества. Тепловое излучение характерно для всех тел, которые имеют температуру, превышающую температуру абсолютного нуля. Тепловое излучение может находиться в состоянии термодинамического равновесия с нагретыми телами.
5) Абсолютно черное тело.
Абсолютно черное тело — понятие теории теплового излучения, означающее тело, которое полностью поглощает любое падающее на его поверхность электромагнитное излучение, независимо от температуры этого тела.
Для абсолютно черного тела поглощательная способность (отношение поглощённой энергии к энергии падающего излучения) равна 1 при излучениях всех частот, направлений распространения и поляризаций. Плотность энергии и спектральный состав излучения, испускаемого единицей поверхности абсолютно черного тела (излучения абсолютно черного тела, чёрного излучения), зависят только от его температуры, но не от природы излучающего вещества.
Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.
6) Формула Планка.
Формула Планка — формула, описывающая кривую распределеия энергии в спектре абсолютно черного тела температурой T:
, где
Дж*сек — постоянная Планка, 
м — скорость света, 
Дж/К — постоянная Больцмана.
7) Индуцированное излучение.
Индуцированное излучение — испускание электромагнитных волн атомами, молекулами и другими частицами вещества, находящимися в неравновесном, состоянии под действием внешнего вынуждающего излучения. Вынужденное излучение это тоже самое, что индуцированное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет те же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными (согласованные).
9.4. Поглощение и излучение света атомом. Принцип квантового генератора (лазера)
Энергетические состояния атомов носят дискретный характер, и переходы между этими состояниями приводят к поглощению и излучению энергии. В соответствии с решением уравнения Шредингера энергия поглощения или излучения hν21 при переходе между любыми двумя энергетическими уровнями E2 и E1 (рис. 9.3) будет соответствовать выражению
Если атом находится в основном состоянии c квантовым числом n = 1, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние с n = 2, и произойдет поглощение излучения. Вероятность этого перехода
(
Рис. 9.3
по Эйнштейну) пропорциональна плотности излучения ρν c коэффициентом B12. Находясь в возбужденном состоянии с n = 2, атом может через некоторый промежуток времени спонтанно (самопроизвольно)
перейти в состояние с низшей энергией и излучить при этом фотон hν21. Такое излучение называется спонтанным. Его вероятность не зависит от внешнего излучения и обозначается A21. Для объяснения наблюдавшегося на опыте термодинамического равновесия между веществом и излучением Эйнштейн ввел вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние с излучением фотона той же энергии hν21, который приводит к вы-
нужденному излучению с вероятностью, также пропорциональной плотности внешнего излучения ρν с коэффициентом B21.
Тогда для интенсивностей спектральных линий поглощения Iпогл. , спонтанного Iсп.изл. и вынужденного Iвын.изл. излучений (по Эйнштейну) можно записать:
Как показали Эйнштейн и Дирак, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим, так как вынужденное излучение тождественно вынуждающему и имеет такие же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения. Испускаемые фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбужденные атомы, стимулируют дальнейшие индуцированные переходы, и число фотонов растет лавинообразно. Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденном состоянии было бы больше, чем их число в основном состоянии. Такие состояния называются состояниями с инверсной населенностью в отличие от обычно существующей равновесной населенности состояний при термодинамическом равновесии излучающей системы.
При термодинамическом равновесии
и вынужденного излучения не будет, так как согласно формулам (9.2) поглощение будет подавлять вынужденное излучение. Вынужденное излучение, в соответствии с формулами (9.2), возможно лишь при инверсной (обратной) заселенности верхнего уровня, когда
Получение инверсной населенности связано с необходимостью использования метастабильных уровней, время жизни которых τм-с значительно больше, чем обычных уровней τоб:
Только при этом условии: Iвын.изл > Iсп.изл. .
Практически инверсное состояние среды осуществляется при использовании метастабильных уровней излучающей системы в оптических квантовых генераторах, или лазерах (лазер – Laser – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения).
Все лазеры состоят из 3-х блоков (рис. 9.4). Источник питания (система накачки) создает инверсную населенность в активной среде, которая испускает вынужденное излучение. Резонатор служит для выделения в пространство большей части вынужденного (лазерного) излучения и для поддержания в активной среде (за счет обратной связи) инверсной населенности излучающих уровней.
Рис. 9.4
Конструкция лазера (например, рубинового) представлена нарис. 9.5. В этой схеме 1 – источник оптической накачки (лампа накачки); 2 – активная среда (кристалл рубина – Al2O3 + Cr 3+ ); 3 и 4 – зеркала оптического резонатора; hν – выходящее лазерное излучение.
Рис. 9.5
хема действующих энергетических уровней рубинового лазера представлена нарис. 9.6. При интенсивном облучении рубина светом мощной импульсной лампы ионы хрома Cr 3+ переходят с нижнего уровня 2 на уровни
широкой полосы 1. Так как время жизни ионов хрома в возбужденных состояниях мало (~10 -7 с), то осуществляются либо незначительные спонтанные переходы 1–2, либо более вероятные безызлучательные переходы на уровень М-3, который является
м
Рис. 9.6
етастабильным. Спонтанный переход на уровень 2 запрещен правилами отбора, поэтому длительность существования уровня М-3 порядка 10 -3 с, т.е. примерно на 4 порядка больше, чем для состояния 1. Это приводит к «накоплению» ионов хрома
на уровне М-3, т.е. возникает среда с инверсной населенностью уровня М-3. Поэтому каждый фотон, случайно родившийся при спонтанных переходах с М-3 на уровень 2, может индуцировать в активной среде множество вынужденных переходов между этими уровнями, в результате чего появляется лавина вторичных фотонов вынужденного излучения, т.е. лазерная генерация.
Вынужденное излучение лазеров в силу своей природы имеет следующие характерные свойства:
1) высокую монохроматичность (ω = const) – 10 – 11 м;
2) высокую когерентность во временном и пространственном отношениях (τког и ℓког – очень велики) – τког ~10 – 3 с, ℓког ~10 5 м, т.е. в 10 7 раз выше, чем для обычного света;
3) большую мощность излучения – N ~10 4 Вт (рубиновый лазер), но и N ~10 мВт (He-Ne-лазер);
4) высокий КПД – до 75% (полупроводниковый лазер) и 30% в непрерывном режиме (лазер на CO2), но и ~0,01% (He-Ne-лазер);
5) острую направленность излучения (малую расходимость) – ~1’;
6) плоскую поляризацию излучения.
VI. Квантовая физика
Спектр — распределение энергии, излучаемой или поглощаемой веществом, по частотам или длинам волн.
Если на пути пучка солнечного света, проникающего через узкую длинную прямоугольную щель, поместить призму, то на экране мы увидим не изображение щели, а растянутую цветную полоску с постепенным переходом цветов от красного к фиолетовому — спектр. Это явление наблюдал еще Ньютон. Это означает, что в состав солнечного света входят электромагнитные волны различных частот. Такой спектр называется сплошным.
Если пропустить через призму свет, который излучается нагретым газом, то спектр будет иметь вид отдельных цветных линий на черном фоне. Такой спектр называется линейчатым спектром испускания. Это означает, что нагретый газ излучает электромагнитные волны с определенным набором частот. При этом каждый химический элемент испускает характерный спектр, отличный от спектров других элементов.
Если свет проходит через газ, то появляются темные линии — линейчатый спектр поглощения.
Спектральный анализ — метод определения качественного и количественного состава вещества, основанный на получении и исследовании его спектров.
Закономерности излучения атомов
Излучение света происходит при переходе электрона в атоме с высшего энергетического уровня Ek на один из низших энергетических уровней En(k > n). Атом в этом случае излучает фотон с энергией
Поглощение света — процесс обратный. Атом поглощает фотон, переходит из низшего состояния k в более высокое n (n > k). Атом в этом случае поглощает фотон с энергией
Энергия электрона
Энергия электрона на n-й орбите
Невозбужденный атом водорода находится на первой орбите, обладает энергией -13,55 эВ. Для ионизации требуется энергия, равная 13,55 эВ.
Энергия излучаемого фотона при переходе электрона с n-oй более дальней от ядра орбиты, на k-ую более близкую орбиту