12.4. Испускание и поглощение света

Пламя излучает свет. Стекло поглощает ультрафиолетовые лучи. Обычные фразы, привычные понятия. Однако здесь термины "излучает", "поглощает" описывают только внешне, легко наблюдя, 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 кванта и 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 из вне порцию энергии возбуждается, т.е. переходит с одного энергетического уровня на 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 излучательныеибезизлучательные. 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 объясняетсяоптикоакустический эффект Бейнгерова.

При облучении газа, находящегося в замкнутом объеме, замодулированном потоком инфракрасного излучения в газе возникают пульсации давления (оптико-акустический 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 для анализа характеризуется простотой и надежностью, высокой избирательностью и широким диапазоном концентрацией 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 импульсных переходов, которые можно зарегистрировать оптическими методами (например, фотографически). Это обстоятельство лежит в основе спектрального 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.

Пример применения 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 изменяют 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.

Возбуждение(повышение внутренней энергии) или ионизация атомов происходят под действием различных причин; в частности, энергия для этих процессов может быть получена при нагревании тел. Чем больше температура, тем больше энергия возбуждения и тем все более короткие волны (кванты с большей энергией) излучает нагретое тело. Поэтому при постепенном нагреве сначала появляется инфракрасное излучение (длинные волны), затем красное, к которому с ростом температуры добавляется оранжевое, желтое и т.д.; в конце концов получает свет Дальнейший нагрев приводит к появлению ультрафиолетовой компоненты.

Примеры применения:

- устройство для непрерывного измерения температуры ванны жидкого металла содержит стержень из светопроницаемого материала обладающего высокой температурой и коррозионной стойкостью. Стержень проходит сквозь стенку резервуара и внутри последнего заделывается в массу свободного от щелочей окисла с высокой температурой плавления, например окиси циркония. Конец стержня, находящийся в резервуаре, служит цветовым пирометром.

Излучательные и безызлучательныепереходы в инфракр. области часто используются для процессов и охлаждения:

- стеклоформирующий инструмент, включающий металлический корпус с покрытием, отличающийся тем, что с целью поьности и улучшения качества изделий, покрытие выполнено двухслойным, причем промежуточный слой выполнен из материала, поглощающего ближнюю инфракрасную область, например из графита, а наружный слой – из материала пропускающего в эже области спектра, например на основе прозрачной поликристаллической окиси алюминия;

- способ измерений коэффициента теплопроводности твердых тел, включающий изотермическую выдержку его охлаждение при постоянной температуре окружающей среды и регистрацию изменения температуры, отличающийся тем, что с целью измеренидности частично прозрачных материалов, образец на стадии поглощения помещают в вакуумное пространство и измеряют энергию, излучаемую поверхностью образца в спектральной области сильного поглощения.

Излучательные квантовые переходы могут происходить не только спонтанно, но, и вынуждено под действием внешнего излучения, частота которого согласована с энергией данного перехода. Излучение квантов света атомами и молекулами вещества под действием внешнего электромагнитного поля (излучения) называют вынужденным или индуцированным излучением.

Существенным отличием вынужденного излучения является то, что оно есть точная копия вынуждающего излучения. Совпадают все характеристики – частота, поляризация, направление распространения и фаза. Благодаря этому вынужденное излучение при некоторых обстоятельствах может привести к усилению внешнего излучения, прошедшего через вещество, вместо его поглощения. Поэтому иначе вынужденное излучение называют отрицательным поглощением.

Для возникновения вынужденного излучения необходимо наличие в веществе возбужденных атомов, т.е. атомов, находящихся на уровнях с большей энергией. Обычно доля таких атомов мала. Для того чтобы усилить проходящее через него излучение, нужно , чтобы доля возбужденных атомов была велика, чтобы уровни с большей энергией были "заселены" частицами гуще, чем нижние уровни. Такое состояние вещества называют состоянием с инверсией населенностей.

Открытие советскими физиками Фабрикантом, Вудынским и Бутаевой явления усиления электромагнитных волн при прохождении через среду с инверсией населенностей явилось основополагающим в деле развития оптических квантовых генераторов (лазеров) крупнейшего изобретения века.

Стержень из вещества с искусственно создаваемой инверсией населенностей, помещенный между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачно – вот принципиальная схема простейшего лазера.

Оптический резонатор из двух зеркал необходим для создания обратной связи: часть излучения возвращается в рабочее тело, индуцируя новую лавину фотонов. Излучение лазера монохроматично и когерентно в силу свойств индуцированного излучения.

Области применения лазеров обусловлены, основными характеристиками их излучения, такими как когерентность, монохромантичность, высокая концентрация энергии в луче и малая его расходимость. Помимо ставших уже традиционными областей применения лазеров, таких как обработка сверхтвердых и тугоплавких материалов, лазерная связь и лоя медицина и получение высокотемпературной плазмы – стали определяться новые интересные сферы их использования.

Чрезвычайно перспективны разработанные в последнее время лазеры на красителях, в отличии от обычных позволяющие плавно изменят частоту излучения в широком диапазоне от инфракрасной до ультрафиолетовой области спектра. Так, например, предполагается лазерным лучом разрывать или наоборот, создавать строго определенные связи.

Ведутся работы по разделению изотопов с помощью перестраиваемых лазеров. Меняя частоту лазеров, настраивают его в резонанс с определенным квантовым переходов одного из изотопов и тем самым переводят изотоп в возбужденное состояние, в котором его можно ионизировать и, с помощью электрических реакций, отделить от других изотопов.

А вот чисто изобретательское применение лазера в качестве датчика давления:

- устройство для измерения давления с частотным выходом, содержащее упругий чувствительный элемент, заполненный газом и соединенный через разделитель с измеряемой средой, и частотомер, отличающееся тем, что с целью повышения точности измерений, в нем в качестве упругого чувствительного элемента использована резонаторная ячейка газового квантового генератора.

В заключении следует отметить, что лазеры являются основным инструментом исследований в новой области физики – нелинейной оптике, которая самим своим возникновением полностью обязана мощным лазерам