Елементи квантової фізики (стр. 12 из 13)
Довжини хвиль в кілька мікрон мають енергію, з допомогою якої можна збуджувати відповідні переходи коливальних рівнів. В цьому випадку будуть також збуджуватись відповідні обертальні рівні. Виникне коливально-обертальний спектр (рис.2.11).
Рис. 2.11
У видимій і ультрафіолетовій області енергії квантів достатньо для збудження в молекулах переходів між відповід-ними електронними рівнями.
Рис. 2.12
Одночасно з цими переходами будуть збуджуватись коливальні і обертальні енергетичні рівні. Це дасть можливість одержати електронно-коливальний спектр, який показано на (рис.2.12).
Отже, кожному електронно-коливальному переходу відповідатиме певна смуга, тому весь електронно-коливальний спектр у видимій і близькій до неї області є системою з кількох груп смуг, розміщених в цих ділянках спектра.
У 1996р. Зеєман знайшов, що коли джерело світла помістити між полюсами електромагніту, відбувається розчеплення спектральних ліній, а відповідно і атомних рівнів речовини джерела, на ряд компонентів. Цей ефект було названо на честь Зеємана - зеєманівським.
Якщо направити промінь світла перпендикулярно до напрямку силових ліній магнітного поля, то спектральні лінії частотою n0 симетрично розчеплюються на три компоненти n0+Dn, n0 і n0-Dn.
Ефект Зеємана (нормальний) спостерігається лише у парамагнітних атомів, так як лише ці атоми мають нульовий орбітальний магнітний момент і можуть взаємодіяти із зовнішнім магнітним полем.
Відстань між середньою і крайніми лініями зеєманівського розчеплення виявляється рівною
де
- магнетон Бора; m0 - магнітна стала; h - стала Планка.Нормальний ефект Зеємана пов’язаний з розчепленням атомних рівнів і відповідно спектральних ліній завдяки взаємодії орбітальних магнітних моментів з зовнішнім магнітним полем. У випадку слабих магнітних полів можна спостерігати розчеплення пов’язане із взаємодією спінових магнітних моментів електронів. В цьому випадку ефект Зеємана називається аномальним. З ним пов’язана тонка структура спектральних ліній.
При типічних для лабораторних умов значеннях магнітного поля в 1 Тл енергія зеєманівського розчеплення рівнів DЕ»0.5.104 еВ. Цій енергії відповідає частота
яка перебуває в мікрохвильовому діапазоні радіохвиль. Тому в магнітних полях порядку 1Тл зеєманівські рівні можна збуджувати за допомогою радіочастотного випромінювання.
В парамагнітному середовищі такі переходи приводять до електронного парамагнітного резонансу, який вперше спостерігався Завойським у 1944р.
Електронний парамагнітний резонанс полягає в поглинанні парамагнітною речовиною, яка перебуває в магнітному полі, енергії радіочастотного випромінювання.
Використання електронного парамагнітного резонансу пов’язане з вивченням властивостей парамагнітних речовин. В цьому випадку визначаються магнітні моменти атомів, резонансні частоти, орбітальне квантове число. Якщо ці параметри відомі, то можна вимірювати величину індукції магнітного поля. Магнітометри, які працюють на явищі парамагнітного резонансу, широко використовуються.
2.3.3 Комбінаційне розсіювання світла.
Комбінаційне розсіювання світла було відкрите в 1928 р. індійськими фізиками Раманом і Кришнаном. Одночасно над цим явищем працювали російські фізики Ландсберг і Мандельштам. В сучасній зарубіжній літературі комбінаційне розсіювання називається раманівським.
Суть комбінаційного розсіювання полягає в тому, що в спектрі розсіяного монохроматичного світла, після проходження його через гази, рідини або прозорі кристалічні тіла, поряд незміщених спектральних ліній містяться нові лінії, частоти яких є комбінацією частот n0 і nі коливних або обертальних переходів розсіюванних молекул:
n=n0±nі.
Комбінаційне розсіювання, як і всі інші явища взаємодії світла з речовиною, має квантовий характер. Нехай молекула розсіюваної речовини може знаходитися в ряді коливальних енергетичних станів W0, W1, ... ,Wi,...,а нормальний стан молекули відповідає енергії W0. При взаємодії такої молекули з квантом зовнішнього випромінювання енергією e0=hn0, молекула може виявитись в більш високому енергетичному стані з енергією Wi. На цей перехід буде затрачена енергія DW=Wi-W0. Тому енергія фотона зменшиться на величину DW; в той же час появиться новий фотон (розсіяний) з енергією
e=hn=hn0-DW.
З останньої рівності видно, що
(2.3.7)де
- частота, якій відповідає перехід між рівнями W0 i Wi. Тому n=n0-nі, що відповідає появі «червоного» супутника. Поява фіолетового супутника пояснюється взаємодією падаючого фотона частотою n0 з молекулою, яка перебуває у збудженому стані з енергією Wi. Взаємодія падаючого фотона з молекулою в збудженому стані стимулює її перехід в нормальний енергетичний стан. Тому:e=hn0+DW,
звідки n=n0+n/ - фіолетовий супутник.
Очевидно, що число молекул у збудженому стані буде зростати з підвищенням температури. А це сприяє зростанню інтенсивності фіолетових супутників. Указані висновки добре погоджуються з експериментом.
Комбінаційне розсіювання є важливим методом вивчення власних частот коливань в складних молекулах, особливо в органічних сполуках. В останні роки цей метод є невід’ємною частиною молекулярного спектрального аналізу.
2.3.4 Поглинання, спонтанне і вимушене випромінювання. Оптичні підсилювачі і квантові генератори.
Як уже було відмічено, атоми можуть знаходитись лише у строго визначених квантових станах, яким відповідають дискретні значення енергії W1,W2,W3,...,Wn.
З точки зору квантової механіки стаціонарний стан атома повинен зберігатися як завгодно довго, якщо немає зовнішніх причин, які спричиняють зміну енергії атома. Проте дослід показує, що атом у збудженому енергетичному стані сам собою переходить у нормальний, не збуджений стан, випромінюючи світло. Таке випромінювання називається самочинним, або спонтанним випромінюванням.
Крім самочинних (спонтанних) переходів з одного енергетичного рівня на другий, спостерігаються також вимушені (індуковані) переходи, обумовлені дією падаючого випромінювання. Самочинні переходи відбуваються лише в одному напрямі - з більш високих енергетичних рівнів на нижчі енергетичні рівні. Вимушене випромінювання рівнозначно відбувається як в одному, так і в другому напрямі. У випадку переходу на більш високий енергетичний рівень атом поглинає квант енергії. При вимушеному випромінюванні із збуджених енергетичних рівнів випромінюються додаткові фотони, які називаються вимушеними або індукованими. На рис 2.13 показано ці процеси для атомів, які мають умовно лише два енергетичні стани - основний W0 і збуджений W1.
Рис 2.13
Важливо відмітити, що при вимушеному випромінюванні первинний і вторинний фотони є точними копіями один одного. Ще в 1916р. Ейнштейн і Дірак доказали, що вимушені (вторинні) фотони мають однакову частоту, фазу, поляризацію і напрям поширення. Вимушене випромінювання строго когерентне до падаючого. Ця особливість вимушеного випромінювання покладена в основу дії підсилювачів і генераторів світла, які називають лазерами.
Методи підсилення світла за рахунок вимушеного випромінювання були запропоновані ще в 1939р. російським фізиком Фабрикантом, а в 1954р. вже були побудовані прилади підсилення електромагнітних хвиль фізиками Басовим і Прохоровим і незалежно від них американським фізиком Таунсом. Ці прилади були названі мазерами. Вони працювали у сантиметровому діапазоні електромагнітних хвиль.
Перший лазер (оптичний квантовий генератор) створив Мейман (США) у 1960р.
Для підсилення світла необхідно, щоб на вищому енергетичному рівні W1 знаходилось більше електронів, ніж на нижчому, тобто N1>N0 при W1>W0. Вважають, що в цьому випадку відбувається інверсна заселеність рівнів W1 i W0. Тоді при проходженні через таку речовину електромагнітної хвилі з частотою n=(W1-W0)/h ця хвиля буде не слабшати, а навпаки, підсилюватись за рахунок індукованого випромінювання.
Новий фотон, що з’явиться внаслідок індукованого випромінювання, підсилює світло, яке проходить крізь середовище. Однак необхідно мати на увазі, що крім індукованого випромінювання відбувається процес поглинання світла. Внаслідок поглинання фотона атомом, що перебуває на енергетичному рівні W0, фотон зникає і атом перейде на енергетичний рівень W1 (рис 2.13. «а»). Цей процес зменшує потужність світла, що проходить крізь середовище. Внаслідок актів вимушеного випромінювання фотон з енергією hn переводить атом із рівня W1 на W0 і замість одного фотона далі летять два фотони (рис 2.13 «б»). Дія підсилюючого середовища визначається тим, який з двох процесів переважає. Якщо переважають акти поглинання, то середовище ослаблює падаюче випромінювання і навпаки, якщо переважають акти вимушеного випромінювання, то середовище підсилює світло.