|
А.И.Андреев, С.В.Мухин, В.В.Некрасов, В.А.Никитенко, А.В.Пауткина
Модульная многофункциональная оптоволоконная спектрометрическая система
Часть I
Устройство и принципы эксплуатации аппаратуры
1. Оптические процессы, методы и аппаратура для измерения оптических и спектрально-люминесцентных характеристик объектов.
Представляемая многофункциональная оптоволоконная система состоит из 5 унифицированных аппаратных модулей компании «Avantes B.V.», обеспечивающих колориметрические, рефлексометрические, фотоабсорбционные, люминесцентные и КР-исследования органических и неорганических материалов в спектральном диапазоне 200 1000 нм. Целью настоящей главы является развитие общих представлений об основных оптических свойствах и методах исследования разнообразных объектов, входящих в лабораторный практикум или планируемых в дальнейших экспериментах.
1.1. Типы оптических переходов в двухуровневой системе
Корпускулярная и континуальная концепции описания природы наиболее наглядны на примере сочетания волновых и квантовых представлений электромагнитного излучения.
Как вы знаете, во времена Ньютона торжествовала корпускулярная теория света. В то же время Х. Гюйгенсом начала интенсивно развиваться волновая теория, получившая общее признание в результате создания Максвеллом теории классической электродинамики и получения Герцем электромагнитных волн.
В 1887 году Г. Герц открыл явление внешнего фотоэффекта, что возродило корпускулярную парадигму. Дело в том, что скорость вылетающих из металла под действием света электронов оказалась не зависящей от его интенсивности. Этот факт приводил в тупик, так как сила, вырывающая электроны из металла, должна быть пропорциональной напряженности электрического поля световой волны.
В конце девятнадцатого века выяснилось, что волновая теория и классическая физика не в состоянии описать распределение энергии теплового излучения по спектру. Выход был найден в 1900 году М. Планком, предположившим, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. В 1905 году А. Эйнштейн с квантовой точки зрения объяснил и внешний фотоэффект, записав так называемое уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта
 (1.1.1)
Началась эпоха возрождения квантовых представлений. Именно за эту квантовую теорию фотоэффекта, а не за теорию относительности А. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 г.
В 1929 году американский ученый Г. Льюис назвал элементарную частицу, квант электромагнитного излучения, фотоном. Масса фотона равна нулю, то есть он существует только в движении со скоростью света. Спин фотона равен 1 и, следовательно, он относится к бозонам.
Фотоны взаимодействуют с атомами, при этом возможны три вида взаимодействия (для простоты рассмотрим двухуровневую систему), рис. 1.1.1.
Рис. 1.1.1.
Три вида взаимодействия электромагнитного излучения с двухуровневой системой
Поглощение излучения. Фотон с энергией hnB12B поглощается атомом, который совершает квантовый переход EB1B→EB2B , сопровождающийся переводом электрона на верхний энергетический уровень, рис. 1.1.1, а.
Спонтанное излучение. Атом, находящийся в возбужденном состоянии, через некоторый, очень малый, промежуток времени спонтанно (самопроизвольно) переходит в состояние с меньшей энергией (наглядно можно представить как переход электрона с уровня EB2B на EB1B ; рис. 1.1,1, б), испуская фотон.
Вынужденное излучение. Если атом находится в возбужденном состоянии, то существует вероятность вынужденного испускания энергии под действием поля проходящей волны. С квантовых позиций фотон с энергией hnB12B стимулирует квантовые переходы в атоме с уровня EB2B на уровень EB1B , в результате имеем два идентичных фотона с энергией hnB12 B; рис. 1.1.1, в.
Контрольные вопросы
1. В чём смысл корпускулярно-волнового дуализма электромагнитного излучения?
2. Что такое фотон?
3. Что происходит в атоме при поглощении кванта света?
4. Что такое спонтанное излучение атома?
5. Опишите вынужденное излучение.
|
AvaSpec-Avantes 
О КОМПАНИИ