Випромінювання та поглинання світла атомом. Неперервний і лінійчатий спектри. Спектральний аналіз. Лазер

Виходячи з постулатів Бора, можна пояснити процес поглинання і випромінювання енергії атомами. Якщо атом поглинає енергію, то при цьому він переходить у збуджений стан. Його електрон може підніматися на вищу орбіту. Якщо існують вакансії для електрона ближче до ядра, то з часом електрон займає їх, переходячи на більш низький енергетичний рівень. Енергія, яка при цьому вивільняється, випромінюється атомом у вигляді кванта світла.

Якщо світло випромінюють розріджені гази, то атоми газу знаходяться так далеко один від одного, що не чинять ніякого впливу на випромінювання сусідніх атомів, і у спектрі такого джерела будуть спостерігатись лише певні лінії. Цей спектр називають лінійчастим спектром.

Якщо світло випромінюють тверді тіла, рідини чи дуже сильно стиснені гази, то на випромінювання кожного з атомів суттєво впливають сусідні атоми. Унаслідок цього можна спостерігати розмивання ліній в спектрі випромінювання і плавний перехід від одного кольору до іншого. Так виглядає суцільний спектр.

Лінійчастий спектр кожного хімічного елемента є індивідуальним. Цю властивість використовують для спектрального аналізу сполук, оскільки кожний атом цього елемента в його складі випромінює свої лінії, які не зливаються з лініями інших елементів. Цю речовину обов'язково потрібно перевести в газоподібний стан і дуже нагріти, щоб вона світилась. Прилади, які використовують для спектрального аналізу, називають спектрографами.

Спектральний аналіз має низку переваг і є одним із найбільш чутливих методів дослідження речовин:

· сама речовина не потрібна, потрібне лише випромінювання від неї.

· для проведення досліду потребує дуже мало часу;

· для досліду потрібна дуже мала маса речовини.

1917 року Ейнштейн передбачив можливість індукованого випромінювання, суть якого така. Якби значну частину атомів речовини можна було перевести в збуджений стан, а потім якимось чином повернути в початковий стан, то можна отримати потужний спалах світла.

Радянський фізик Фабриканте 1939 року запропонував як "збудник" використовувати слабкий світловий імпульс, який, рухаючись по прозорому стиржню, переводив би атоми в збуджений стан.

У 1951-1954 рр. радянські фізики Басов і Прохоров запропонували застосовувати для збудження атомів газорозрядну лампу, яка оточує прозорий стрижень. Під час спалаху цієї лампи атоми стрижня переходять у збуджений стан, після чого можливе підсилення світла. 1954 року Басов і Прохоров та американський фізик Таунас сконструювали прилад, який працює на довжині хвилі l = 1,27 cм, його назвали "мазер", а 1960 року в США вдалось побудувати прилад з опроміненням в оптичному діапазоні; його назвали "лазер".

Лазер - це одне з найбільших досягнень сучасної фізики. Він випромінює впорядковане світло, всі фотони якого мають однакову напруженість Е; і не виникає різниця фаз між коливаннями. Це призводить до того, що результуюче значення напруженості поля у світлі лазера є настільки велике, що можна відірвати електрон від атома, нагріти середовище до температури випаровування.

Принцип дії першого лазера на кристалі рубіна такий: під час проходження електромагнітної хвилі крізь речовину, її енергія поглинається. За рахунок поглинутої енергії хвилі частина атомів переходить у збуджений стан (вищий енергетичний стан). Енергія світлового пучка при цьому дорівнює: hn = E₂ – E₁.

Збуджений атом може віддати свою енергію сусіднім атомам під час зіткнення чи випромінити фотон у будь-якому напрямі. У разі збудження великої частини атомів електромагнітна хвиля частотою:

буде підсилюватися внаслідок індукованого випромінювання. Під її дією атоми узгоджено переходять на нижчі енергетичні рівні, випромінюючи хвилі, які збігаються за частотою і фазою із падаючою хвилею (рис. 7.9, 7.10).

Є різні методи утворення середовища із збудженими станами атомів. У рубіновому лазері (рис. 7.11) використовують для цього спеціальну потужну газорозрядну лампу, що має форму спіралі і дає синьо-зелене світло.

Атоми збуджуються внаслідок поглинання світла. Але двох рівнів енергії для роботи лазера недостатньо. Яким би потужним не було світло лампи, кількість збуджених атомів буде не більшою від не збуджених. Бо світло одночасно збуджує атоми і спричинює індуковані переходи з верхнього рівня на нижній. Вихід було знайдено у використанні трьох енергетичних рівнів (рис. 7.12). Потрібні енергетичні рівні мають кристали рубіну. Рубін - це яскраво червоний кристал оксиду алюмінію Al₂O₃ з домішкою атомів хлору (близько 0,05%). Саме рівні іонів хлору в кристалі мають потрібні властивості.

На рівні 3 система "живе" дуже мало, приблизно 10^-8 с, після цього самовільно без випромінювання переходить до стану 2 (енергія при цьому передається кристалічним гратам). Перехід від стану 2 до стану 1 під впливом зовнішньої електромагнітної хвилі супроводиться випромінюванням, що й використовується у лазерах. Після спалаху потужної лампи система переходить до стану 2 і через проміжок часу близько до 10^-8 с переходить до стану 3, в якому "живе" порівняно довго (приблизно 10^-3 с). Так забезпечується "перенаселеність" збудженого рівня 2 порівняно з не збудженим рівнем 1.

Унаслідок самовільних переходів 2 1 випромінюються хвилі різних напрямів. Ті з них, які йдуть під кутом до осі кристала, виходять з нього і для наступних процесів не мають ніякого значення. Але хвиля, що проходить вздовж осі кристала, багато разів відбивається від його торців. Вона зумовлює випромінювання збуджених іонів хрому і швидко підсилюється. Через один із торців стрижня (напівпрозорий) виходить потужний короткочасний імпульс червоного світла.

Рубіновий лазер працює в імпульсному режимі. Але є лазери неперервної дії. На тепер розроблено різні лазери на склі, газах, напівпровідниках та ін. Коефіцієнт корисної дії газового лазера на CO₂ досягає 20%, саме їх використовують в промисловості.

Лазерне випромінювання має такі властивості:

- лазери здатні створювати пучки світла з дуже малим кутом розбіжності;

- світло лазера є монохроматичним;

- лазер є найпотужнішим джерелом світла.

Лазери використовують для: зв'язку в космосі, випаровування чи зварювання матеріалів у вакуумі, в хірургічних операціях (офтальмологія), збудження хімічних реакцій, здійснення керованої термоядерної реакції та ін.

Запитання для самоперевірки

1. Побудуйте схему енергетичних рівнів атома водню і поясніть механізм утворення спектральних ліній.

2. Як називають серію спектральних ліній у спектрі випромінювання атома водню ?

3. Запишіть формулу, що дозволяє обчислити частоту будь-якої спектральної лінії в спектрі випромінювання атома водню.

4. Чому дорівнює стала Рідберга ?

5. У якому випадку атом випромінює квант електромагнітної енергії, а в якому поглинає її?

6. За якою формулою визначають частоту поглинання світла ?

7. Що називають спектром випромінювання ?

8. Які види спектрів випромінювання ви знаєте ? У яких співвідношеннях знаходяться речовини, що випромінюють ці спектри ?

9. Що називають спектром поглинання ? Зобразіть схему досліду з проходження світла через пари натрію і тригранну призму. Який результат цього досліду і про що він свідчить?

10. Що називають спектральним аналізом ? На чому він грунтується ?

11. Що таке лазер ?

12. Яке випромінювання називають спонтанним і чому воно є некогерентним ?

13. Виконайте рисунок і поясніть процес утворення вимушеного випромінювання. Яке випромінювання називають вимушеним або індукованим ?

14. Поясніть принцип дії лазера. Поясніть графічно процес отримання вимушеного випромінювання за трирівневою системою.

15. Поясніть принцип дії рубінового лазера.

16. Які типи лазерів ви знаєте і в якому режимі вони працюють ?