Stort leksikon om olje og gass. Absorpsjon (absorpsjon) av lys av et stoff
I fysikk for klasse 11 (Kasyanov V.A., 2002),
en oppgave №87
til kapittel " Kvanteteori om elektromagnetisk stråling. HOVEDBESTEMMELSER».
termisk stråling
Helt svart kropp
termisk stråling- elektromagnetisk stråling som sendes ut av oppvarmede legemer på grunn av dens indre energi.
Helt svart kropp- et legeme som absorberer all energien av stråling som faller inn på det av enhver frekvens ved en vilkårlig temperatur.
Spektral tetthet av energilysstyrke- energi elektromagnetisk stråling sendes ut per tidsenhet per enhetsareal av kroppsoverflaten i et enhetsfrekvensintervall. Enhet for spektral tetthet av energi lysstyrke J/m 2 . Energien til et strålingskvantum er direkte proporsjonal med frekvensen v til strålingen:
hvor h = 6,6 10 -34 J s er Plancks konstant.
Foton- mikropartikkel, kvantum av elektromagnetisk stråling.
Lovene termisk stråling: Wiens forskyvningslov
hvor λ m - bølgelengde, som står for den maksimale spektrale tettheten til energiluminositeten til den svarte kroppen, T - temperatur på den sorte kroppen, b ≈ 3000 μm K - Wiens konstant.
Stefan-Boltzmann lov: Den integrerte lysstyrken til en svart kropp er proporsjonal med den fjerde potensen av dens absolutte temperatur:
hvor σ =
5,67 10 -8 W / (m 2 K 4) - Stefan-Boltzmann konstant.
fotoelektrisk effekt fenomenet utstøting av elektroner fra faste og flytende stoffer under påvirkning av lys.
Lover for den fotoelektriske effekten
1. Metningsfotostrømmen er direkte proporsjonal med intensiteten av lyset som faller inn på katoden.
2. Den maksimale kinetiske energien til fotoelektroner er direkte proporsjonal med lysets frekvens og er ikke avhengig av intensiteten.
3. For hvert stoff er det en minimumsfrekvens av lys, kalt den røde grensen for den fotoelektriske effekten, under hvilken den fotoelektriske effekten er umulig.
Einsteins ligning for den fotoelektriske effekten:
Energien til fotonet brukes til å utføre arbeidsfunksjonen og til å kommunisere til det utsendte fotoelektronet kinetisk energi. Arbeidsutgang - minimumsarbeid nødvendig for å fjerne et elektron fra et metall.
rød kant fotoeffekt
Corpuscular-wave dualisme - manifestasjon i oppførselen til det samme objektet av både korpuskulær og bølgeegenskaper. Corpuscular-wave dualisme er en universell egenskap til alle materielle objekter.
bølgeteori beskriver riktig egenskapene til lys ved høye intensiteter, dvs. når antallet fotoner er stort.
Kvanteteori brukes til å beskrive egenskapene til lys ved lave intensiteter, dvs. når antallet fotoner er lite.
Enhver partikkel med momentum p Svar de Broglie-bølgelengden er:
Tilstanden til mikroobjektet endres under måleprosessen. Samtidig presis definisjon koordinater og momentum til partikkelen er umulig.
Heisenberg usikkerhetsforhold:
1. Produktet av usikkerheten til partikkelens koordinat og usikkerheten til dens momentum er ikke mindre enn Plancks konstant:
2. Produktet av usikkerheten til energien til en partikkel og usikkerheten til tidspunktet for dens måling er ikke mindre enn Plancks konstant:
Bohrs postulater:
1. I et stabilt atom kan et elektron bare bevege seg langs spesielle, stasjonære baner, uten å utstråle elektromagnetisk energi
2. Emisjonen av lys fra et atom skjer under overgangen til et atom fra en stasjonær tilstand med høyere energi E k til en stasjonær tilstand med lavere energi Е n . Energien til det utsendte fotonet er lik energiforskjellen stasjonære tilstander:
Bohrs banekvantiseringsregel:
På omkretsen av hver stasjonær bane passer et heltall n av de Broglie-bølgelengder, med Svar tilsvarende bevegelsen til et elektron
Grunntilstanden til atomet er tilstanden med minimumsenergi.
Luminescens- ikke-likevektsstråling av materie.
Spektralanalyse- bestemmelsesmetode kjemisk oppbygning og andre egenskaper ved et stoff langs spekteret.
Grunnleggende strålingsprosesser av atomer: absorpsjon av lys, spontan og stimulert emisjon.
lysabsorpsjon er ledsaget av overgangen til atomet fra grunntilstanden til den eksiterte tilstanden.
Spontan utslipp- stråling som sendes ut under den spontane overgangen til et atom fra en tilstand til en annen.
stimulert utslipp- stråling av et atom som oppstår når det går over til et lavere energinivå under påvirkning av ekstern elektromagnetisk stråling.
Laser- kilde til stråling forsterket som følge av indusert stråling.
Invers populasjon av energinivåer- ikke-likevektstilstand i mediet, der konsentrasjonen av atomer i den eksiterte tilstanden er større enn konsentrasjonen av atomer i grunntilstanden.
Metastabil tilstand- den eksiterte tilstanden til atomet, der det kan være mye lengre enn i andre tilstander.
2.7. Elementær kvanteteori om emisjon av elektromagnetisk stråling fra atomer [e-postbeskyttet]
Hvis et atom får ekstra energi, kan det gå inn i en eksitert tilstand (for eksempel, for hydrogen, overganger fra en tilstand med n \u003d 1 til tilstander med n = 2, 3, 4, ... se fig. 15). Eksitering av atomer kan initieres på forskjellige måter: på grunn av kollisjoner med elementærpartikler- sjokkeksitasjon, i kollisjoner med atomer - termisk eksitasjon, og til slutt ved absorpsjon av elektromagnetisk stråling av atomer. For overgangen fra grunntilstanden til et eksitert atom med et hovedkvantenummer n, er det nødvendig å overføre energi lik forskjellen mellom energiene til E n- og E 1-tilstandene. Hvis energi overføres av elektromagnetisk stråling med et kontinuerlig spektrum av frekvenser, vil kvanter med energier bli absorbert fra denne strålingen av et atom. Hvis vi bruker uttrykk (2.3) for mulige energier, får vi en formel for en serie av absorpsjonsfrekvenser for hydrogenatomet, som fullt ut tilsvarer de eksperimentelle dataene
.
(2.9)
Hvis energien som overføres til elektronet er stor nok, kan elektronet overvinne tiltrekningskraften til kjernen og bryte seg bort fra atomet. Denne prosessen kalles ionisering av et atom. Figur 15 viser at minimumsenergien som kreves for ionisering av et hydrogenatom (overgang n = 1n =), er lik 13,6 eV. Denne verdien stemmer godt overens med de eksperimentelle dataene for ioniseringsenergien til hydrogenatomet.
Et atom kan ikke forbli i en opphisset tilstand i lang tid. Som ethvert fysisk system har atomet en tendens til å okkupere tilstanden med lavest energi. Derfor, etter en tid på ca. 10 -8 s, går et eksitert atom spontant (spontant) over i en tilstand med lavere energi, og sender ut et kvantum av strålingsenergi under overgangen. Denne prosessen fortsetter til atomet er i grunntilstand ( Fig. 16. Totaliteten av alle mulige frekvenser eller bølgelengder av strålingen til et atom kalles emisjonsspekteret (når man analyserer stråling med et spektroskop, tilsvarer de et sett med spektrallinjer). Hvis strukturen til energinivåene til et atom bestemmes, kan spektra av mulige strålinger til et gitt atom også beregnes. For eksempel ved å bruke (2.12) for hydrogenatomet og Plancks formel 
, du kan få det generell formel som beskriver alle eksperimentelle serier av hydrogenutslipp (1.1)-(1.3),
Fig.16. Mulige overganger for hydrogenatomet.
Hvis et atom går fra en kvantetilstand til en annen med emisjon eller absorpsjon av et foton, er det bare slike overganger som er mulige for kvantenummer endres med en l =1. Denne regelen kalles utvelgelsesregelen. Tilstedeværelsen av en slik seleksjonsregel skyldes det faktum at elektromagnetisk stråling (foton) bærer bort eller introduserer ikke bare et kvantum av energi, men også et ganske bestemt vinkelmomentum, som endrer det orbitale kvantetallet for et elektron med ett. til disse egenskapene har hvert atom sitt eget individuelle strålingsspektrum og absorpsjonsspektrum, som identifiserer det fullt ut (fig.16).
Science, 1976. - 664 s.
nedlasting(direkte kobling) :
osnovikvantovoymehaniki1976.djvu Forrige 1 .. 13 > .. >> Neste
§ fem.
elementær teori stråling basert på kvantekonsepter ble skapt av Einstein. Den har til en viss grad en fenomenologisk karakter. Det tillater imidlertid
d) Einsteins antakelser er fullt ut underbygget i moderne kvanteelektrodynamikk (se for eksempel A. I. Akhiezer, V. B. Berestetsky, Quantum Electrodynamics, " Science, 1969).
ELEMENTER KVANTETEORI OM STRÅLING
31
basert på moderne kvantemekanikk, løse problemet med intensiteten av utslipp og absorpsjon av lys.
Fra et kvantesynspunkt bestemmes intensiteten av emisjon eller absorpsjon av elektromagnetisk stråling av sannsynligheten for overgangen til et atom fra en tilstand til en annen. Løsningen av problemet med intensiteter er redusert til beregningen av disse sannsynlighetene.
Tenk på to tilstander i et system, for eksempel et atom. Den ene vil bli betegnet med bokstaven /i, og den andre med bokstaven p. La energien til den første tilstanden være Et, og den andre En. For bestemthetens skyld, anta at Em > Enu slik at tilstanden m tilhører en høyere kvantenivå Etu i stedet for tilstanden n, som tilhører kvantenivået En.
Erfaring viser at et system av seg selv kan gå fra en høyere tilstand m til en lavere tilstand n, og sende ut et kvantum av lys
E ~E
\u003d Et - En med frekvens co \u003d
som i tillegg har en viss polarisering og forplanter seg innenfor helvinkelen dQ (fig. 6). Enhver polarisering for gitt retning Vi kan representere forplantningen av lys som tillegg av to uavhengige polarisasjoner 1A og 12, vinkelrett på hverandre. I overgangen Em -+¦ En kan et lyskvante sendes ut enten med en polarisering på 1b eller med en polarisering på 12. Vi vil markere polarisasjonen med indeksen a (a = 1,2). Overgangssannsynlighet n
? __g
på 1 sek, med emisjon av et kvantum av frekvens co = - inne i kroppen
vinkel dQ med polarisering a, betegner vi med
dW"r = anmadQ. (5.1)
Denne sannsynligheten kalles sannsynligheten for "spontan" (spontan) overgang. Muligheten for en slik overgang til klassisk teori tilsvarer strålingen fra en eksitert oscillator.
Hvis det er stråling rundt et atom, påvirker det atomet på to måter. For det første kan denne strålingen absorberes, og atomet vil gå fra den laveste tilstanden n til den høyeste m. Sannsynligheten for en slik overgang på 1 sek vil bli betegnet med dWa. For det andre, hvis atomet er i en eksitert tilstand m. da kan ekstern stråling lette overgangen av atomet inn lavere tilstand n slik at sannsynligheten for stråling øker med en eller annen verdi dW "r. Vi vil kalle denne tilleggssannsynligheten sannsynligheten for den induserte
O
Ris. 6. Kjennetegn ved stråling.
li og 12 er to uavhengige polarisasjonsretninger.
32
GRUNNLAG FOR KVANTETEORI
[CH. Jeg
(eller tvungen) overgang. Begge typer overganger har en analogi i den klassiske teorien: en oscillator under påvirkning av ekstern stråling kan både absorbere og utstråle energi, avhengig av forholdet mellom fasen av svingningene og lysbølgens fase.
Etter det som er sagt full sannsynlighet stråling er
dWr = dW"r + dW"r.
Sannsynligheten for absorpsjon dWa og sannsynligheten for stimulert emisjon dWr, ifølge Einsteins antakelse, er proporsjonale med antall lyskvanter av nøyaktig den typen absorpsjon og emisjon vi snakker om. La oss definere dette tallet.
Stråling kan generelt sett ikke være monokromatisk, ha forskjellige forplantningsretninger og forskjellige polarisasjoner. For å bestemme strålingens natur, introduserer vi mengden pa (co, Q) dco dQ, som gir energitettheten til stråling som har en forplantningsretning innenfor helvinkelen dQ, en polarisering a, og en frekvens som ligger innenfor co, co + dco. Siden energien til et kvante er lik Jco, er antallet lyskvanter med en frekvens innenfor grensene co, co + dco, som forplanter seg i en solid vinkel dQ og har en polarisering a, lik (per 1 cm3)
pa(a), Q) d(d dQ fid)
Basert på bemerkningen om proporsjonaliteten mellom antall kvanter og sannsynlighetene for absorpsjon og stimulert utslipp, kan vi sette
d№e = Cpa(<0, Q)dQ, (5.2)
dw; = bnm*Pa (co, Q) dQ. (5.3)
Mengdene anma, b "nla, bnma kalles Einsteins differensialkoeffisienter. De avhenger kun av hva slags systemer som sender ut og absorberer lys, og kan beregnes ved kvantemekanikkens metoder (se § 88). Men noen generelle konklusjoner kan gjøres om egenskapene til disse koeffisientene uten deres beregninger.
La oss vurdere forholdene under hvilke likevekten mellom utslipp og absorpsjon finner sted. La antall atomer i den eksiterte tilstanden m være n, og antall atomer i
bor i den laveste staten, - paragrafer. Da vil antallet lyskvanter som sendes ut i løpet av 1 sek under overgangene w-> n være lik
nm(dW"r + dW;),
og antall kvanter absorbert på 1 sek under overganger n-> m, vil være lik
pp dWa.
ELEMENTER KVANTETEORI OM STRÅLING
33
Under likevektsforhold bør antall absorpsjonshendelser være lik antall utslippshendelser, dvs.
nadw * \u003d nm (dW "r + dW;).
Ved å erstatte her dW"r fra (5.1) og d\V„, dW"r fra (5.2) og (5.3), finner vi etter reduksjon med dQ:
Absorpsjon (absorpsjon) av lys av et stoff. Boogers lov. Elementær kvanteteori om emisjon og absorpsjon av lys. Spontane og tvungne overganger. Einstein koeffisienter. Lett forsterkningstilstand
Elementær kvanteteori om emisjon og absorpsjon av lys. Lett forsterkningstilstand elektromagnetisk felt av en lysbølge som passerer gjennom et stoff, oppstår oscillasjoner av elektronene i mediet, som er årsaken til reduksjonen i strålingsenergien brukt på eksitasjon av oscillasjonene til elektronene. Delvis fylles denne energien på igjen som et resultat av utslipp av sekundære bølger fra elektroner; delvis kan den omdannes til andre typer energi. Faktisk ble det eksperimentelt etablert og deretter teoretisk bevist av Bouguer at intensiteten ...
59. Absorpsjon (absorpsjon) lett stoff. Boogers lov. Elementær kvanteteori om emisjon og absorpsjon av lys. Spontane og tvungne overganger. Einstein koeffisienter. Lett forsterkningstilstand
Under påvirkning av det elektromagnetiske feltet til en lysbølge som går gjennom et stoff, oppstår oscillasjoner av elektronene i mediet, som er årsaken til reduksjonen i strålingsenergien brukt på eksitasjon av elektronsvingningene. Denne energien fylles dels på som følge av emisjon av sekundærbølger fra elektroner, og dels kan den omdannes til andre typer energi. Hvis en parallell lysstråle (en plan bølge) faller inn på overflaten av et stoff med en intensitet Jeg , så forårsaker disse prosessene en reduksjon i intensiteten Jeg ettersom bølgen trenger inn i materialet. Faktisk ble det eksperimentelt fastslått, og deretter teoretisk bevist av Bouguerre, at strålingsintensiteten avtar i samsvar med loven(Bouguerres lov):
, (1)
hvor er intensiteten av strålingen som kommer inn i stoffet, d lagtykkelse, absorpsjonskoeffisient avhengig av type stoff og bølgelengde. Vi uttrykker absorpsjonskoeffisienten fra Bouguer-loven:
. (2)
Den numeriske verdien av denne koeffisienten tilsvarer lagtykkelsen, etter å ha passert gjennom hvilken intensiteten fly bølge synker i e = 2,72 ganger. Ved å måle eksperimentelt intensitetsverdiene Jeg 1 og jeg 2 , som tilsvarer passasjen av lysstråler med samme innledende intensitet gjennom lag av stoff med en tykkelse, og følgelig er det mulig å bestemme verdien av absorpsjonskoeffisienten fra forholdet
. (3)
Avhengigheten av absorpsjonskoeffisienten på bølgelengden presenteres vanligvis i form av tabeller eller grafer (et sett med pass for fargefiltre). Eksempel i figur 1.
De har et spesielt intrikat utseendeabsorpsjonsspektra av metalldamper ved lavt trykk, når atomene praktisk talt kan betraktes som ikke å samhandle med hverandre. Absorpsjonskoeffisienten til slike damper er svært liten (nær null) og kun i svært smale spektrale intervaller (flere tusendeler av en nanometer bred) finnes skarpe maksima i absorpsjonsspektrene (Figur 2).
De bemerkede områdene med skarp absorpsjon av atomer tilsvarer frekvensene til naturlige vibrasjoner av elektroner inne i atomer. Hvis vi snakker om absorpsjonsspektra til molekyler, så registreres også absorpsjonsbånd tilsvarende frekvensene til naturlige vibrasjoner av atomer i molekylet. Siden massene av atomer er mye større enn massen til et elektron, forskyves disse absorpsjonsbåndene i infrarød spektrum.
Absorpsjonsspektra faste stoffer og væsker er som regel preget av brede absorpsjonsbånd. I absorpsjonsspektrene til polyatomiske gasser registreres brede absorpsjonsbånd, mens spektrene til monoatomiske gasser er preget av skarpe absorpsjonslinjer. En slik forskjell i spektrene til monatomiske og polyatomiske gasser indikerer at årsaken til utvidelsen av spektralbåndene er samspillet mellom atomer.
Bouguers lov er oppfylti et bredt spekter av lysintensiteter (som etablert av S.I. Vavilov, med en endring i intensitet på 10 20 ganger), der absorpsjonsindeksen ikke er avhengig av verken intensiteten eller lagtykkelsen.
For stoffer med stor tid levetiden til den eksiterte tilstanden ved en tilstrekkelig høy lysintensitet, reduseres absorpsjonskoeffisienten, siden en betydelig del av molekylene er i den eksiterte tilstanden. Under slike forholdBouguers lov er ikke oppfylt.
Med tanke på spørsmålet om absorpsjon av lys av et medium hvis tetthet ikke er den samme overalt, hevdet Bouguer at "lys kan gjennomgå like endringer bare når det møter like mange partikler som er i stand til å stoppe stråler eller spre dem", og at derfor, for absorpsjon, "ikke tykkelsene, men massene av stoffet i disse tykkelsene" betyr noe. Denne andre Bouguers lov har en stor praktisk verdi når man studerer absorpsjon av lys ved løsninger av stoffer i gjennomsiktige (praktisk talt ikke-absorberende) løsemidler. Absorpsjonskoeffisienten for slike løsninger er proporsjonal med antall absorberende molekyler per lengdeenhet av lysbølgebanen, det vil si konsentrasjonen av løsningen med:
hvor en proporsjonalitetskoeffisient, avhengig av type stoff og ikke avhengig av konsentrasjon. Etter å ha tatt hensyn til dette forholdet, tar Bouguers lov formen:
Koeffisientuavhengighetspåstand OG fra konsentrasjonen av et stoff og dets konstans kalles ofte Beers (eller Beers) lov. Den fysiske betydningen av dette utsagnet er at molekylers evne til å absorbere stråling ikke er avhengig av de omkringliggende molekylene. Det er imidlertid mange unntak fra denne loven, som derfor er en regel snarere enn en lov. Verdien av mengden OG varierer for tettliggende molekyler; Det avhenger også av typen løsemiddel. Hvis det ikke er noen avvik fra den generaliserte Bouguers lov, er det praktisk å bruke den til å bestemme konsentrasjonen av løsninger.
Absorpsjonsspektrene til stoffer er vant til spektral analyse, det vil si å bestemme sammensetningen av komplekse blandinger (kvalitativ og kvantitativ analyse).
Absorpsjon av stråling av materie forklares ut fra kvantebegreper. Kvanteoverganger atomsystemet fra en stasjonær tilstand til en annen skyldes mottak utenfra eller overføring av energi fra dette systemet til andre objekter eller dets stråling inn i rommet som omgir atomet. Overganger der et atomsystem absorberer, sender ut eller sprerelektromagnetisk stråling, kalles radiative (eller radiative). Hver strålingsovergang mellom energinivåer og i spekteret tilsvarer en spektrallinje preget av en frekvens og noen energikarakteristikk stråling som sendes ut (for emisjonsspektre), absorberes (for absorpsjonsspektre) eller spres (for spredningsspektre) av et atomsystem.Overganger hvor det er en direkte utveksling av energi fra et gitt atomsystem med andre atomsystemer (kollisjoner, kjemisk reaksjon etc.) kallesikke-stråling(eller ikke-strålende).
Hovedtrekkene energinivå er:
grad (mangfoldighet) av degenerasjon, eller statistisk vektdette er antallet forskjellige stasjonære tilstander (tilstandsfunksjoner) som energien tilsvarer;
befolkning dette er antall partikler av en gitt type per volumenhet som har energi;
livstid i spent tilstander den gjennomsnittlige varigheten av en partikkels opphold i en tilstand med energi.
Den spektrale posisjonen til linjen (stripen), dvs. linjefrekvens kan bestemmes ved å brukeBohr frekvensregel
. (4)
Kvanteoverganger er preget av Einstein-koeffisientene , fysisk mening som vil bli forklart senere.
Ved å bruke eksemplet på det enkleste to-nivåsystemet, la oss analyserehvilke indre egenskaper ved atomsystemet bestemmer intensiteten til spektrallinjen. La og være to energinivåer av et isolert atomsystem (atom eller molekyl), hvis populasjon vil bli henholdsvis betegnet N 1 og N 2 (Figur 3).
Antall partikler per volumenhet som lager i tid dt i stasjonær modus for eksitasjon, overganger ledsaget av overtakelse energi av elektromagnetisk stråling, definerer vi i samsvar med formelen:
, (5)
hvor er volumspektral energitettheten til den eksterne (spennende) strålingen, hvis frekvens er .
I dette tilfellet overføres partikler til en eksitert tilstand med energi i en enhetsvolum av materie,energi absorberes
. (6)
Det kan ses av uttrykk (5 ) at
(7)
den sannsynlighet for overgang per tidsenhet, ledsaget av absorpsjon, per partikkel. Dermed, Einstein koeffisienthar en probabilistisk (statistisk) betydning.
Prosessen med emisjon av elektromagnetisk stråling kan skje i samsvar med to mekanismer: spontant (på grunn av indre årsaker) og tvunget (når den utsettes for spennende stråling).
Totalt antall partikler lages i tide dt spontane overganger, er direkte proporsjonal med populasjonen av nivået som tilsvarer den opprinnelige tilstanden til systemet:
. (8 )
energi elektromagnetisk stråling, spontant utgittatomer (molekyler) som eri en enhetsvolum av et stoff, under, kan representeres som:
. (9 )
Fra formel (8 ) uttrykker vi verdien:
(10 )
Einstein koeffisient gir mening sannsynligheten for en overgang ledsaget av spontan emisjon av elektromagnetisk stråling med én partikkel per tidsenhet.
Stimulert utslipp skjer under påvirkning av ekstern (tvingende) stråling. i det betraktede nivåsystemet direkteAntall tvungne strålingsoverganger over tid dt i forhold til folketallet N 2 nivå som tilsvarer starttilstanden til systemet ( E 2 ) og volumspektral energitettheten til den eksterne (spennende) strålingen u 12:
. (11 )
Energien til stimulert stråling som sendes ut i en enhetsvolum av materie i en tid dt , vi skriver det i formen:
. (12)
Fra formel (11) er det enkelt å trekke ut mengden
(13)
sannsynligheten for en overgang laget av en partikkel per tidsenhet og ledsaget av stimulert emisjon. Her Einstein koeffisient for stimulerte strålingsoverganger.
H og på grunnlag av ideene ovenfor,forholdet mellom Einstein-koeffisientene, for de betraktede overgangene med formen:
, (14)
hvor og er de statistiske vektene av energinivåer og.
Dermed, indre parametere i et atomsystem som bestemmer energien til elektromagnetisk stråling absorbert eller sendt ut av et stoff, og følgelig intensiteten spektrallinjer i det registrerte spekteret erovergangssannsynligheter per tidsenhet, det vil si Einstein-koeffisientene.
Ved relativt lave verdier romvekt av spennende stråling, er den totale sannsynligheten for utslipp nesten fullstendig bestemt av sannsynligheten for spontane overganger med energiutslipp. Ved høy bestrålingseffekt kan sannsynligheten for stimulert utslipp bli mye større enn sannsynligheten for spontan emisjon. Denne situasjonen oppstår i aktivt miljø generere laser, samt ved bruk av laser som en kilde til spennende stråling.
Dermed , er det bare én type elementære prosesser som kan brukes til å forbedre optisk stråling, nemlig: stimulerte overganger med stråling. I samsvar med uttrykk (13) kan sannsynligheten for slike overganger økes ved å øke spektral tetthet energi "tvingende" stråling. På den andre siden, c med en viss sannsynlighet avhenger antall tvungne overganger per tidsenhet, som bestemmer kraften til stimulert utslipp, også av befolkningen i det øvre energinivået N2.
Energibalansen per volumenhet materie, utgitt per tidsenhet som et resultat av tvungne overganger og absorbert som et resultat av tvungne overganger med eksitasjon av atomet, kan representeres som:
(16)
Gitt at g 1 B 12 = g 2 B 21 , formel (16) kan skrives om som:
. (17)
Under naturlige forhold, i samsvar med Maxwell-Boltzmann-fordelingen, alltid og∆W< 0, dvs. forplantning av stråling i et medium er nødvendigvis ledsaget av en reduksjon i intensiteten.
For at mediet skal forsterke strålingen som faller inn på det (∆W > 0), er det nødvendig at tilstandeneller (i fravær av degenerasjon) N2 > N1. Med andre ord må likevektsfordelingen av populasjoner brytes på en slik måte at stater med høyere energi er mer befolket enn stater med lavere energi.
Et medium som er i en ikke-likevektstilstand, der populasjonsfordelingen for minst to energinivåer er invertert (invertert) i forhold til MaxwellBoltzmann-fordelingen, kalles omvendt. Slike miljøer harnegativ absorpsjonskoeffisientα (se (1) Bouguers lov), dvs. når stråling passerer gjennom dem, øker intensiteten.Slike miljøer kalles aktiv. For å forsterke lys i et aktivt medium, må energien som sendes ut per tidsenhet overstige de totale energitapene på grunn av absorpsjon av stråling i mediet og nyttige tap, det vil si fjerning av stråling fra mediet i retning av strålingsforplantning(for eksempel er nyttige tap laserstrålingsenergien).
Figur 2 Fragment av den betingede
absorpsjonsspektrum
foreldet gass
EMBED Equation.3
Figur 1 Spektralkoeffisientprøve
overtakelser
Figur 3 Varianter av strålingsoverganger av partikler
i det enkleste to-nivå systemet
hv ik
hv ik
hv ik
hv ik
E 2
E 1
KL 12
A 21
KL 21
Samt andre verk som kan interessere deg |
|||
| 31169. | List opp egenskapene til en overbevisende melding | 21,5 KB | |
| Også følelsen av glede kan forårsake positive assosiasjoner til emnet for meldingen, vitser, morsomme historier. Meldinger i katten huskes best for tragiske situasjoner. Når du bruker fryktfølelsen, kan du møte en boomerangeffekt: konsekvensen av at katten glemmer budskapet. | |||
| 31170. | Hva er kognitiv dissonans | 23KB | |
| Praktisk talt, verken det ene eller det andre skjer, prosessen forsvinner uten engang å nå nivået av ubehag i hodet til 95 mennesker kommer helt overens motstridende fakta og ideer om dem og ingenting. En variant med en ubetinget refleks avvisning av informasjonen som forårsaker slikt ubehag er også mulig. | |||
| 31175. | SPRÅKFUNKSJONER I ENGELKE AVISER | 20,52 KB | |
| Språket i avisen har selvfølgelig en viss spesifisitet som skiller det fra skjønnlitterært eller skjønnlitterært språk. vitenskapelig litteratur, fra samtaletale. Dette er en konsekvens av det langsiktige utvalget av språklige, ekspressive virkemidler. | |||
| 31176. | Hva er egenskapene til massekommunikasjon | 21,5 KB | |
| 2 melding har en rekke svv: sosial relevans sosial betydning moteriktig evige temaer glemsomhet periodisitet regelmessig tilbake til visse emner tilgjengelighet underholdende emosjonalitet har en leken karakter kommersialisering. : effektivitet emosjonalitet evnen til å bruke i bakgrunnen. : effektivitet emosjonalitet smittsom effekt av tilstedeværelse. emosjonalitet er svak effektivitet. | |||
Under påvirkning av det elektromagnetiske feltet til en lysbølge som går gjennom et stoff, oppstår oscillasjoner av elektronene i mediet, som er årsaken til reduksjonen i strålingsenergien brukt på eksitasjon av elektronsvingningene. Denne energien fylles dels på som følge av emisjon av sekundærbølger fra elektroner, og dels kan den omdannes til andre typer energi. Hvis en parallell lysstråle (en plan bølge) faller inn på overflaten av et stoff med en intensitet Jeg, så forårsaker disse prosessene en reduksjon i intensiteten Jeg ettersom bølgen trenger inn i materialet. Faktisk ble det eksperimentelt etablert og deretter teoretisk bevist av Bouguer at intensiteten av stråling avtar i samsvar med loven (Bouguers lov):
hvor er intensiteten av strålingen som kommer inn i stoffet, d er lagtykkelsen, er absorpsjonskoeffisienten avhengig av stofftype og bølgelengde. Vi uttrykker absorpsjonskoeffisienten fra Bouguer-loven:
Den numeriske verdien av denne koeffisienten tilsvarer lagtykkelsen, etter å ha passert gjennom hvilken intensiteten til planbølgen avtar i e= 2,72 ganger. Ved å måle eksperimentelt intensitetsverdiene jeg 1 og jeg 2, som tilsvarer passasjen av lysstråler med samme innledende intensitet gjennom lag av stoff med en tykkelse, og følgelig er det mulig å bestemme verdien av absorpsjonskoeffisienten fra forholdet
Avhengigheten av absorpsjonskoeffisienten på bølgelengden presenteres vanligvis i form av tabeller eller grafer (et sett med pass for fargefiltre). Et eksempel er i figur 1.
Absorpsjonsspektrene til metalldamper ved lavt trykk har en spesielt intrikat form, når atomene praktisk talt kan anses å ikke interagere med hverandre. Absorpsjonskoeffisienten til slike damper er svært liten (nær null) og kun i svært smale spektrale intervaller (flere tusendeler av en nanometer bred) finnes skarpe maksima i absorpsjonsspektrene (Figur 2).
De bemerkede områdene med skarp absorpsjon av atomer tilsvarer frekvensene til naturlige vibrasjoner av elektroner inne i atomer. Hvis vi snakker om absorpsjonsspektra til molekyler, registreres også absorpsjonsbånd som tilsvarer frekvensene til naturlige vibrasjoner av atomer i molekylet. Siden massene av atomer er mye større enn massen til et elektron, flyttes disse absorpsjonsbåndene til det infrarøde området av spekteret.
Absorpsjonsspektra for faste stoffer og væsker er som regel preget av brede absorpsjonsbånd. I absorpsjonsspektrene til polyatomiske gasser registreres brede absorpsjonsbånd, mens spektrene til monoatomiske gasser er preget av skarpe absorpsjonslinjer. En slik forskjell i spektrene til monatomiske og polyatomiske gasser indikerer at årsaken til utvidelsen av spektralbåndene er samspillet mellom atomer.
Bouguers lov er oppfylt i et bredt spekter av lysintensitetsverdier (som fastsatt av S.I. Vavilov, når intensiteten endres med en faktor på 1020), der absorpsjonsindeksen ikke avhenger av verken intensiteten eller lagtykkelsen.
For stoffer med lang levetid for den eksiterte tilstanden ved en tilstrekkelig høy lysintensitet, synker absorpsjonskoeffisienten, siden en betydelig del av molekylene er i en eksitert tilstand. Under slike forhold er ikke Bouguers lov oppfylt.
Med tanke på spørsmålet om absorpsjon av lys av et medium hvis tetthet ikke er den samme overalt, hevdet Bouguer at "lys kan gjennomgå like endringer bare ved å møte et like stort antall partikler som er i stand til å forsinke stråler eller spre dem", og at derfor, det er ikke tykkelsene som betyr noe for absorpsjonen, men massene av stoffet i disse tykkelsene. Denne andre Bouguers lov er av stor praktisk betydning for å studere absorpsjon av lys ved oppløsninger av stoffer i gjennomsiktige (praktisk talt ikke-absorberende) løsningsmidler. Absorpsjonskoeffisienten for slike løsninger er proporsjonal med antall absorberende molekyler per lengdeenhet av lysbølgebanen, det vil si konsentrasjonen av løsningen med:
hvor OG er en proporsjonalitetskoeffisient som avhenger av type stoff og ikke er avhengig av konsentrasjon. Etter å ha tatt hensyn til dette forholdet, tar Bouguers lov formen:
Koeffisientuavhengighetspåstand OG fra konsentrasjonen av et stoff og dets konstans kalles ofte Beers (eller Beers) lov. Den fysiske betydningen av dette utsagnet er at molekylers evne til å absorbere stråling ikke er avhengig av de omkringliggende molekylene. Det er imidlertid mange unntak fra denne loven, som derfor er en regel snarere enn en lov. Verdien av mengden OG varierer for tettliggende molekyler; Det avhenger også av typen løsemiddel. Hvis det ikke er noen avvik fra den generaliserte Bouguers lov, er det praktisk å bruke den til å bestemme konsentrasjonen av løsninger.
Absorpsjonsspektra av stoffer brukes til spektralanalyse, det vil si for å bestemme sammensetningen av komplekse blandinger (kvalitativ og kvantitativ analyse).
Absorpsjon av stråling av materie forklares ut fra kvantebegreper. Kvanteoverganger av et atomsystem fra en stasjonær tilstand til en annen skyldes mottak eller overføring av energi fra dette systemet til andre objekter eller dets stråling inn i rommet som omgir atomet. Overganger der et atomsystem absorberer, sender ut eller sprer elektromagnetisk stråling, er kalt stråling(eller strålende). Hver strålingsovergang mellom energinivåer og i spekteret tilsvarer en spektrallinje karakterisert ved frekvensen og en viss energikarakteristikk for strålingen som sendes ut (for emisjonsspektre), absorberes (for absorpsjonsspektre) eller spredt (for spredningsspektre) av et atomsystem . Overganger hvor det er en direkte utveksling av energi fra et gitt atomsystem med andre atomsystemer (kollisjoner, kjemiske reaksjoner, etc.) kalles ikke-stråling(eller ikke-strålende).
Hovedkarakteristikkene til energinivået er:
– graden (multiplisitet) av degenerasjon, eller statistisk vekt er antall forskjellige stasjonære tilstander (tilstandsfunksjoner) som energien tilsvarer;
– populasjon er antall partikler av en gitt type per volumenhet som har energi ;
– levetiden til en eksitert tilstand er den gjennomsnittlige varigheten til en partikkel i en tilstand med energi.
Den spektrale posisjonen til linjen (stripen), dvs. linjefrekvensen kan bestemmes ved å bruke Bohr-frekvensregelen
Kvanteoverganger er preget av Einstein-koeffisientene, hvis fysiske betydning vil bli forklart senere.
Ved å bruke det enkleste to-nivåsystemet som eksempel, la oss analysere hvilke interne egenskaper ved atomsystemet som bestemmer intensiteten til spektrallinjen. La og være to energinivåer av et isolert atomsystem (atom eller molekyl), hvis populasjon vil bli henholdsvis betegnet N 1 og N 2(Figur 3).
Antall partikler per volumenhet som lager i tid dt i stasjonær eksitasjonsmodus vil overgangene, ledsaget av absorpsjon av energien til elektromagnetisk stråling, bestemmes i samsvar med formelen:
hvor er volumspektral energitettheten til den eksterne (spennende) strålingen, hvis frekvens er .
I dette tilfellet absorberer partikler som overføres til en eksitert tilstand med energi i en enhetsvolum av materie energi
Det kan ses av uttrykk (5) at
er sannsynligheten for overgang per tidsenhet, ledsaget av absorpsjon, per partikkel. Altså Einstein-koeffisienten har en probabilistisk (statistisk) betydning.
Prosessen med emisjon av elektromagnetisk stråling kan skje i samsvar med to mekanismer: spontant (på grunn av interne årsaker) og tvunget (under påvirkning av spennende stråling).
Det totale antallet partikler som produseres per gang dt spontane overganger er direkte proporsjonal med populasjonen på nivået som tilsvarer den opprinnelige tilstanden til systemet:
Energien til elektromagnetisk stråling som spontant sendes ut av atomer (molekyler) lokalisert i en enhetsvolum av et stoff over tid kan representeres som:
Fra formel (8) uttrykker vi verdien:
er Einstein-koeffisienten, som har betydningen av sannsynligheten for en overgang ledsaget av spontan emisjon av elektromagnetisk stråling med én partikkel per tidsenhet.
Stimulert utslipp skjer under påvirkning av ekstern (tvingende) stråling. i det betraktede systemet av nivåer direkte Antall stimulerte strålingsoverganger i løpet av tiden dt i forhold til folketallet N 2 nivå som tilsvarer starttilstanden til systemet ( E 2) og volumspektral energitettheten til den eksterne (spennende) strålingen u 12:
Energien til stimulert stråling som sendes ut i en enhetsvolum av materie i en tid dt, skriver vi i formen:
Fra formel (11) er det enkelt å trekke ut mengden
er sannsynligheten for en overgang gjort av én partikkel per tidsenhet og ledsaget av stimulert emisjon. Her er Einstein-koeffisienten for stimulerte strålingsoverganger.
På grunnlag av de presenterte representasjonene etableres relasjonene mellom Einstein-koeffisientene, for overgangene som vurderes har formen:
hvor og er de statistiske vektene til energinivåene og .
Dermed er de interne parameterne til atomsystemet, som bestemmer energien til elektromagnetisk stråling absorbert eller sendt ut av et stoff, og følgelig intensiteten til spektrallinjene i det registrerte spekteret. overgangssannsynligheter per tidsenhet, det vil si Einstein-koeffisientene.
Ved relativt lave verdier av volumtettheten til den spennende strålingen er den totale emisjonssannsynligheten nesten fullstendig bestemt av sannsynligheten for spontane overganger med energiutslipp. Ved høy bestrålingseffekt kan sannsynligheten for stimulert utslipp bli mye større enn sannsynligheten for spontan emisjon. En slik situasjon finner sted i det aktive mediet til en genererende laser, så vel som når en laser brukes som en kilde for spennende stråling.
Det er altså bare én type elementære prosesser som kan brukes til å forsterke optisk stråling, nemlig stimulerte overganger med stråling. I samsvar med uttrykk (13) kan sannsynligheten for slike overganger økes ved å øke den spektrale energitettheten til den "tvingende" strålingen. På den annen side, med en viss sannsynlighet, avhenger antall stimulerte overganger per tidsenhet, som bestemmer den stimulerte emisjonskraften, også av befolkningen i det øvre energinivået N 2.
Energibalansen per volumenhet materie, utgitt per tidsenhet som et resultat av tvungne overganger og absorbert som et resultat av tvungne overganger med eksitasjon av atomet, kan representeres som:
Gitt at g 1 B 12 = g 2 B 21 , kan formel (16) skrives om som:
Under naturlige forhold, i samsvar med Maxwell-Boltzmann-distribusjonen, alltid og ∆W< 0, dvs. forplantning av stråling i et medium er nødvendigvis ledsaget av en reduksjon i intensiteten.
For at mediet skal forsterke strålingen som faller inn på det ( ∆W> 0), er det nødvendig at tilstanden eller (i fravær av degenerasjon) N 2 > N 1 Med andre ord må likevektsfordelingen av populasjoner brytes på en slik måte at stater med høyere energi er mer befolket enn stater med lavere energi.
Et medium som er i en ikke-likevektstilstand, der populasjonsfordelingen for minst to energinivåer er invertert (invertert) i forhold til Maxwell-Boltzmann-fordelingen, kalles omvendt. Slike medier har en negativ absorpsjonskoeffisient α (se (1) - Bouguers lov), dvs. når stråling passerer gjennom dem, øker intensiteten. Slike miljøer kalles aktiv. For å forsterke lys i et aktivt medium, må energien som sendes ut per tidsenhet overstige de totale energitapene på grunn av absorpsjon av stråling i mediet og nyttige tap, det vil si fjerning av stråling fra mediet i retning av strålingsforplantning (for eksempel er nyttige tap laserstrålingsenergien).
Hvordan komme i gang som veileder?
Fjernundervisning i engelsk
Vanlige og uregelmessige engelske verb