Спектр. Лазеры.

СПЕКТРЫ

Спектры испускания

Совокупность частот (или длин волн), которые содержатся в излучении какого-либо вещества, называютспектром испускания. Они бывают трех видов.

Спектры испускания

Сплошной это спектр, содержащий все длины волн определенного диапазона от красного с λ ≈ 7,6.10-7  м до фиолетового с λ ≈ 4.10-7 м. Сплошной спектр излучают нагретые твердые и жидкие вещества, газы, нагретые под большим давлением.

 

Линейчатый - это спектр, испускаемый газами, парами малой плотности в атомарном состоянии. Состоит из отдельных линий разного цвета (длины волны, частоты), имеющих разные расположения. Каждый атом излучает набор электромагнитных волн определенных частот. Поэтому каждый химический элемент имеет свой спектр

Линейчатый

Полосатыйэто спектр, который испускается газом в молекулярном состоянии.

 

Линейчатые и полосатые спектры можно получить путем нагрева вещества или пропускания электрического тока.

 

Спектры поглощения

Спектры поглощения получают, пропуская свет от источника. дающего сплошной спектр, через вещество, атомы которого на­ходятся в невозбужденном, состоянии.

Спектр поглощения — это совокупность частот, поглощаемых данным веществом.

Спектры поглощения

Согласно закону Кирхгофа вещество поглощает те линии спектра, которые и испускает, являясь источником света.

 

Спектральный анализ

Исследование спектров испускания и поглощения позволяет установить качественный состав вещества. Количественное содержание элемента в соединении определяется путем измерения яркости спектральных линий.Метод определения качественного и количественного состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. Зная длины волн, испускаемых различными парами, можно установить наличие тех или иных элементов в веществе.

 

Этот метод очень чувствителен. Отдельные линии в спектрах различных элементов могут совпадать, но в целом спектр каждого элемента является его индивидуальной характеристикой. Спектральный анализ сыграл большую роль в науке. С его помощью был изучен состав Солнца и звезд.

В спектре Солнца (1814) были открыты фраунгоферовы темные линии.

Солнце — раскаленный газовый шар (Т ≈ 6000 °С), испускающий сплошной спектр. Солнечные лучи проходят через атмосферу Солнца, где Т ≈ 2000— 3000 °С.

Корона поглощает из сплошного спектра определенные частоты, а мы на Земле принимаем солнечный спектр поглощения. По нему можно определить, какие элементы присутствуют в короне Солнца.

Он помог обнаружить все земные элементы, а также неизвестный элемент, который назвали гелий. Через 26 лет (1894) открыли гелий на Земле. Благодаря спектральному анализу открыто 25 элементов.

Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов,

Спектральный анализ можно производить как по спектрам испускания, так и по спектрам поглощения.

Состав сложных смесей анализируется по молекулярному спектру.

 

ЛАЗЕРЫ

В 1917 г. А. Эйнштейн предсказал возможность перехода атома с высшего энергетического состояния в низшеепод влиянием внешнего воздействия - вынужденного излучения. В 1940 г. В. А. Фабрикант указал на возможность использо­вания вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. Отечественные ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо американец Ч. Таунс изобрели квантовый оптический генератор (1954) и получили Нобелевскую премию.

ЛАЗЕРЫ

Излучение атома

Фотон, имеющий энергию hv, возбуждает атом и переводит электрон в состояние с более высокой энергией. Электрон произвольно возвращается в первоначальное состояние, испуская фотон энергией hv.

Вынужденное излучение

Падающий фотон с энергией hv взаимодействует с атомом, находящимся в возбужденном состоянии, и стимулирует его высвечивание. Возникают два фотона с энергией hv каждый, которые движутся в одном направлении и одной фазе.

Вынужденное излучение

Населенность уровней

В условиях теплового равновесия большая часть атомов обладает минимумом энергии, населенность верхних уровней меньше населенности нижних. Под влиянием энергетических воздействий (повышение температуры, освещение) возбуждение атомов возрастает и населенность верхних уровней увеличивается, но получить распределение частиц но уровням, при котором населенность верхних уровней больше, чем нижних, таким способом невозможно, так как увеличение населенности верхних уровней способствует увеличению спонтанных переходов на нижний уровень. Атомы могут находиться в возбужденном состоянии 10-8 с.

Населенность уровней

Чтобы получить когерентное излучение в результате вынуж­денного испускания, необходимы два условия:

1. Населенность верхних уровней должна быть больше, чем нижних.

2. Один из верхних уровней с состоянием Е2 должен быть метастабильным, т. е, электроны в нем должны находиться не 

10-8 с, а порядка 10-5—10-3 с. Уровень с состоянием Е2 метастабильный. Если вещество (например, кристалл рубина) длительное время освещать, то произойдет очень плотное заселение метастабильных уровней. При наличии уровня с состоянием Е2 возможны спонтанные переходы из состояния Е3 не только в основное состояние Е1, но и на метастабильный уровень с состоянием Е2

Оба перехода сопровождаются выделением энер­гии. Большое различие во временах жизни в состояниях Е2 и Е3приводит к тому, что под действием возбуждающих фотонов с энергией  атомы переходят в состояние Е3, а затем самопроизвольно — в состояние Е2. Без излучения света (энергия поглощается кристаллом) и происходит накопление атомов на метастабильном уровне с состоянием Е2. Для создания в лазере инверсной населенности используют Al2O3, смесь гелия (15%), неона (85%) и другие вещества. Переход из состояния Е2 в состо­яние Е3 под действием внешней электромагнитной волны сопро­вождается излучением, что и используется в лазерах.

Свойства лазерного излучения

  1. Малый угол расхождения пучка света,
  2. Исключительная монохроматичность.
  3. Самые мощные источники света—1014Вт/с, Солнце— 7.103 Вт/с.
  4. КПД около 1%.

В настоящее время лазеры применяются:

  1. Медицина (в физиотерапии, лазерные скальпели в микрохирургии, для лечения глаз)
  2. Лазерная резка и сварка металлов
  3. Оптические системы наводки в военных и локационных целях
  4. При изучении оптических явлений
  5. Лазерный термоядерный синтез и т.д.

Теги: