|
ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА Одним из примеров явлений, которые можно объяснить на основании квантовых представлений о свете, является люминесценция. Так называют излучения вещества (длительность свечения должна быть не менее 10-10 с), отличное от теплового излучения. Люминесценцию называют также «холодным свечением». Некоторые формы природной люминесценции известны очень давно (например, свечение светлячков, морских рыб, полярное сияние, свечение древесины и других органических веществ во время гниения). Если система имеет дискретные энергетические уровни, то для возникновения излучения она должна сначала перейти в возбужденное состояние, т.е. получить дополнительную энергию. Этот процесс может происходить по-разному: в результате поглощения внешнего излучения (фотолюминесценция); химических реакций (хемилюминесценция); «бомбардировки» вещества быстрыми электронами (катодолюминесценция); протекание электрического тока (электролюминесценция). Люминесценция наблюдается в диапазонах видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового излучений и даже в рентгеновском диапазоне. Люминесценция, по сути, процесс выделения полученной веществом предварительно во время перехода в неравновесное состояние избыточной энергии. В случае возбуждения люминесценции атом, поглощая энергию, переходит с основного уровня энергии на возбужденный уровень. Если во время люминесценции происходит обратный переход из возбужденного состояния в основное, частоты люминесценции и возбуждающего света совпадают. Во время взаимодействия с окружающими атомами возбужденный атом может передать им часть энергии и перейти на промежуточный уровень, в течение излучательного перехода с которого происходит люминесценция, названная спонтанной. Такие переходы происходят самопроизвольно. Во время спонтанных переходов испускания фотонов не зависит от внешних воздействий на систему, поэтому спонтанное излучение является некогерентным. Под действием внешнего электромагнитного поля определенной частоты могут происходить квантовые переходы, соответствующие частоте возбуждающего излучения. Это вынужденное или стимулируемое излучения, что является когерентным. Люминесценция получила широкого применения в технике. Например, благодаря катодолюмінісценції светятся экраны электронно-лучевых трубок, экраны осциллографов, локаторов, возникает свечение трубок с разреженным газом. Энергосберегающие лампы представляют пример использования люминесценции. Спектральный анализ люминесценции является методом исследования полупроводников и диэлектриков. Характер спектра излучения кристаллов зависит от очень многих факторов, от типа и концентрации дефектов, температуры, уровня возбуждения, наличия деформаций, электрических и магнитных полей. Все это позволяет использовать спектральный анализ люминесценции как метод исследования кристаллов. Полупроводниковые свет-диоды основанные на явлении электролюминесценции, в рентгеноскопии использовано рентгенолюмінісценцію. В сцинтилляционных детекторах используют радіолюмінісценцію - свечение сцинтилляторов под воздействием радиационного облучения и др. 2. Самопроизвольное и вынужденное излучение В возбужденном состоянии атом может находиться лишь в течение очень малого промежутка времени, после чего самопроизвольно (спонтанно) переходит в основное состояние, излучая при этом квант света. Это излучение происходит при отсутствии внешнего воздействия на атом и обусловлено лишь неустойчивостью его возбужденного состояния. Если никакого воздействия на атом не оказывается, то время его пребывания в возбужденном состоянии составляет около 10-8 c. Если же атом подвергается внешнему воздействию, то время жизни его возбужденного состояния сокращается и возникает излучение, называют вынужденным или индуцированным, излучением. Понятие о вынужденном излучении было введено в 1916 году Альбертом Эйнштейном. Это излучение происходит в результате воздействия на возбужденный атом кванта света, частота которого совпадает с частотой его самопроизвольного излучения. Атом при этом переходит на более низкий энергетический уровень, и до первичного фотона добавляется еще один фотон, ничем не отличается от первого. Таким образом, излучение, падающее на атом, «удваивается»: до атома «приходит» один фотон, а «идут» два точно таких же (то есть их частоты и направления движения совпадают). Поэтому в активной среде, где много атомов находятся в этом же возбужденном состоянии, излучаемую фотоны будут, в свою очередь, «заставлять» другие атомы излучать точно такие фотоны. В результате интенсивность излучения может лавинообразно увеличиваться. Усиление падающей волны, обусловленное вынужденным излучением, впервые наблюдал опытным путем советский физик Валентин Александрович Фабрикант 1939 года. «Запустить» лавину вынужденного излучения может фотон, что его спонтанно випроменив какой-нибудь атом этого же среды: этот фотон «заставит» другой атом випроменити такой же фотон, потом два одинаковых фотоны «заставят» еще два атома випроменити еще два таких же фотоны и так далее. В результате (без внешнего излучения) может развиться лавинообразный процесс, что приводит к чрезвычайно интенсивного излучения за счет «запаса энергии» атомов, находящихся в метастабільному состоянии. На этом основано действие квантовых генераторов, которые сегодня широко используют в технике, медицине, быту, средствах связи. В Оптические квантовые генераторы, излучение которых лежит в видимой и инфракрасной области спектра, называются лазерами. По интенсивности излучения лазеры намного превосходят все другие виды источников излучения. Во время работы лазера часто используют систему трех энергетических уровней атома, из которых верхний уровень - со временем жизни порядка 10-7-10-8 с, средний уровень - метастабильное, с временем жизни порядка 10-3 с, а нижний уровень соответствует основному состоянию атома. Далее рекомендуется рассмотреть в качестве примера принцип действия рубинового лазера. Лазеры играют значительную роль в современном научно-техническом прогрессе. Их излучение имеет уникальные и очень ценные свойства, которые обеспечили им широкое применение в самых разнообразных отраслях науки, техники, медицины и др. Качество лазерной энергии определено ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крошечную крапинку диаметром, сравнимым с длиной световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли - принципиально новым средством ее передачи и обработки. С помощью лазеров удалось создать трехмерные изображения, которые называются голографическими. Рассматривая голограмму под разными углами, вы можете видеть изображенный на ней предмет с разных сторон: например, на голограмме (в отличие от фотографии) можно «заглядывать» за предметы, расположенные на переднем плане. Принцип действия лазера используют также при создании эталонов времени, то есть наиболее точных часов: погрешность хода таких часов - не более одной секунды за 30 000 лет. ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА 1. Какие превращения энергии происходят во время фотолюминесценции? катодолюмінісценції? 2. Чем отличается излучение лазера от излучения лампы накаливания? 3. Назовите принципиальные отличия лазерного излучения от излучения лампы накаливания. 4. Охарактеризуйте основные особенности лазерного излучения. 5. Как используют лазеры в различных областях науки, техники и медицины? ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА 1. При каком условии свет при прохождении через вещество может усиливаться? 2. Какие превращения энергии происходят во время работы энергосберегающей лампы? 3. Атомы Хрома в рубиновом лазере образуют как непроизвольное, так и вынужденное излучения. Какие характеристики этих излучений совпадают, а какие - нет? 4. Чем отличается метастабильное состояние от стабильного? 5. Какую роль в работе лазера играют метастабильные уровни атомов? ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ • Люминесценция - нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. • Оптические квантовые генераторы, излучение которых лежит в видимой и инфракрасной области спектра, называются лазерами. Домашнее задание 1. Подр-1: § 52; подр-2: § 26 (п. 1, 2, 3) 2. Сб.: № 16.13; 16.14; 16.15. 3. Д: подготовиться к самостоятельной работе № 13. ЗАДАНИЯ ИЗ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ № 13 «СТРОЕНИЕ АТОМА. ПОСТУЛАТЫ БОРА. АТОМНЫЕ СПЕКТРЫ» Лінійчастий спектр наблюдается во время свечения...: А ...раскаленного вещества. ...Химически чистого вещества. ...Вещества в газообразном атомарном состоянии. Г ...вещества в газообразном состоянии под большим давлением. На рисунке показаны четыре нижних энергетических уровне некоторого атома. Стрелки соответствуют переходам между уровнями; vи - частота фотона, излученного или поглощенного во время перехода.
А При переходе 1 происходит излучение фотона. Во время перехода 3 происходит поглощение фотона. В Частота v3 - самая большая из всех частот vt. Г Выполняется соотношение v4 = v2 + v5 + v6. Задача 3 (3 балла) Задача 3 имеет целью установить соответствие (логическая пара). К каждой строке, обозначенного буквой, подберите утверждение, обозначенное цифрой. А Модель атома Дж. Томсона. Бы Модель атома Резерфорда. В Недостатки планетарной модели атомов. Г Последствии постулатов Бора. 1 нельзя было объяснить устойчивость атомов и сходство разных атомов одного и того же химического элемента. 2 Позволили объяснить устойчивость атомов и сходство разных атомов одного и того же химического элемента. 3 В центре атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а вокруг ядра движутся электроны. 4 Атомы представляют собой однородные шары из положительно заряженного вещества, в котором находятся электроны. 5 В нормальном состоянии атом имеет минимальную энергию, а во время ионизации - максимум энергии, равна нулю. На сколько изменилась энергия электрона в атоме Водорода при излучении атомом фотона с длиной волны 486 нм?
|
|
