Розділ 4 взаємодія випромінювання з атомними системаи

в цьому розділі описується взаємодія електромагнітного поля з атомними системами. Розглядаються енергетичні рівні атомів та молекул. Вводиться таке поняття як матриця густини, яка використовується для аналізу атомних систем. Розглядаються також такі питання: атомна сприйнятливість, вимушені та спонтанні переходи, підсилення в середовищі з інверсною різницею населеностей, механізми розширення спектральної лінії, підсилення та насичення підсилення.

Лекція 8 Спонтанне та вимушене випромінювання. Поглинання

8.1. Енергетичні спектри атомів і молекул

Енергетичний спектр атома можна зобразити у відповідності до рис.8.1. Рівень – найнижчий рівень. З цього рівня атом не може випромінювати кванту світла. Цей рівень називається ще основним. В цьому стані атом може знаходитися нескінченно довго, якщо він не взаємодіє з іншими атомами чи квантами світла. Під впливом фотону з енергією атом може перейти в збуджений стан з енергією .

Рис. 8.1. Схематичне зображення дискретних енергетичних рівнів атома

Під впливом більшої енергії він може перейти з рівня на рівень або навіть вище. Рівні , , ..., визначаються експериментально по спектрах випромінювання чи поглинання або можуть бути розраховані засобами квантової механіки. Збуджений атом при переході з рівня на рівень випромінює з великою ймовірністю квант світла з енергією.

Коли атоми утворюють молекулу, то поряд з електронними рівнями утворюються електронно-коливальні рівні і електронно-коливально-обертальні рівні, які відповідають коливанням атомів в молекулі і обертанню молекул. Можливі рухи молекули показані на рис. 8.2, а енергетичні рівні на рис. 8.3.

Рис. 8.2. Двох атомна молекула та її обертальний та коливальні рухи

Обертання атомів (молекули) навколо осі створює довгохвильове випромінювання в дальній області інфрачервоного спектру. Коливання атомів (ядер) створює випромінювання в близькій ІЧ-області та в довгохвильовій області спектру. Частоти спектрів випромінювання молекул як і атомів утворюють ряд дискретних значень. Отже, енергія обертального, коливального руху молекул і енергія системи станів електронів квантується (рис.8.3).

Рис.8.3. Електронні, електронно-коливальні та електронно-коливальні-обертальні рівні енергій

Обертання атомів (молекули) навколо осі створює довгохвильове випромінювання в дальній області інфрачервоного спектру. Коливання атомів (ядер) створює випромінювання в близькій ІЧ-області та в довгохвильовій області спектру. Частоти спектрів випромінювання молекул як і атомів утворюють ряд дискретних значень. Отже, енергія обертального, коливального руху молекул і енергія системи станів електронів квантується (рис.8.3).

Здебільшого різниця між обертальними рівнями складає еВ, що відповідає Гц; різниця між коливальними рівнями рівна еВ, що відповідає частотам Гц, а різниця між електроними рівнями: еВ, що відповідає частотам: Гц.