Лекция 4 Физические основы высоких технологий Давыдов

Лекция № 4. Физические основы высоких технологий Давыдов Виктор Николаевич проф. каф. экологического менеджмента ИНЖЭКОН

Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом 1. Поглощение и излучение света веществом 1. 1. Спектры испускания и поглощения (идентификация химических элементов); 1. 2. Окраска веществ (пигменты); 1. 3. Избирательное поглощение ультрафиолетового излучения (фотометры, кремы от загара ); 1. 4. Флюоресценция и фосфоресценция (флюоресцентные краски и люминофоры); 1. 5. Химическое действие света (фотография, запись информации)

Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом 2. Усиление света при прохождении через активную среду 2. 1. Квантовые генераторы; 3. Отражение и преломление света 3. 1. Зеркала. 3. 2. Преломляющие среды (селфоки);

Спектры В 1666 г. Исаак Ньютон разложил солнечный свет с помощью призмы в спектр и сделал вывод, что белый свет состоит из лучей разного цвета с различными показателями преломления. Немецкие химики Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен (60 -е годы 19 века). Разработали методы получения спектров испускания нагретых в пламени горелки веществ и их использования для обнаружения химических элементов

Спектроскоп и спектр испускания водорода

Спектры испускания Содержат набор полос, соответствующих частотам излучения, испускаемого веществом, находящимся в возбужденном состоянии. Состояние возбуждения достигается воздействием нагревания, света (фотовозбуждение), электрического разряда или химической реакции.

Спектры поглощения Содержат набор полос, соответствующий частотам электромагнитных волн, которые поглощаются веществом. В атомно-абсорбционном анализе вещество разогревают в графитовой трубке до 1500 – 20000 С электрическим током. Свет пропускают через застекленные торцы трубки и разлагают в спектр.

Спектры испускания и поглощения взаимнообратны

Объяснение строения спектров Н. Бор установил соответствие между линиями спектров и переходами электронов между дискретными энергетическими уровнями в атомах химических элементов. hυ = E 2 -E 1 h – постоянная Планка; υ – частота излучения, с-1; E 2 – энергия электрона на более высоком энергетическом уровне; E 1 - энергия электрона на более высоком энергетическом уровне; Поскольку распределение электронов по энергетическим уровням в каждом хим. элементе индивидуально, индивидуальны и спектры их испускания и поглощения.

Квантовые числа Состояние каждого электрона в атоме определяется четырьмя квантовыми числами: 1. Главное квантовое число n в наибольшей степени характеризует энергию электрона в атоме. n = 1, 2, 3…. . Наименьшей энергией электрон обладает при n = 1, при этом он наиболее близок к ядру атома. 2. Орбитальное (побочное, азимутальное) квантовое число l определяет форму электронного облака и в незначительной степени его энергию. Орбитальное квантовое число может принимать нулевое и ряд целочисленных значений: l = 0…(n-1)

Энергетические подуровни Состояния электрона, характеризующиеся различными значениями l, принято называть энергетическими подуровнями электрона в атоме. Каждый подуровень обозначается определенной буквой:

Энергетические подуровни Значен ие l Подуровень Форма орбита ли 0 1 2 s p d Сферич Гантел ес-кая еобразная Четыре хлепестков ая

Квантовые числа 3. Магнитное квантовое число ml определяет возможные ориентации электронного облака в пространстве. Число таких ориентаций определяется числом значений, которое может принимать магнитное квантовое число: ml = - l, … 0, …+ l Число таких значений для конкретного l : 2 l+1 Сответственно: для s-электронов: 2· 0 +1=1 (сферическая орбиталь может быть ориентирована только одним способом); для p-электронов: 2· 1+1= 3 (три «гантели» pэлектронов ориентированы в 3 -х направлениях); для d-электронов: 2· 2+1= 5 (d- орбитали ориентированы в 5 направлениях).

Квантовые числа • 4. Спиновое квантовое число отражает наличие у электрона собственного момента движения. • Спиновое квантовое число может иметь только два значения: ms = +1/2 или – 1/2

Распределение электронов в многоэлектронных атомах 1. Принцип Паули (паспортное правило) В атоме не может быть электронов имеющих одинаковый набор всех четырех квантовых чисел. 2. Правило Хунда (трамвайное правило) В наиболее устойчивом состоянии атома электроны размещаются в пределах электронного подуровня так, чтобы их суммарный спин был максимален.

3. Принцип минимума энергии (Правила В. М. Клечковского, 1954) А) при увеличении заряда ядра атома последовательное заполнение электронных орбиталей происходит от орбиталей с меньшим. значением суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + l) к орбиталям с большим значением этой суммы. Б) при одинаковых значениях суммы (n + l) заполнение орбиталей происходит последовательно в направлении возрастания значения n.

Люминесценция в природе Природные явления Л. — северное сияние, свечение некоторых насекомых, минералов, гниющего дерева — были известны ещё в древности. Систематически изучать Л. стали с 19 в. Излучение Л. лежит в видимом, ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Л. классифицируют: 1. По типу возбуждения: фотолюминесценция (возбуждение светом), радиолюминесценция (возбуждение радиацией), электролюминесценция (возбуждение электрическим полем), триболюминесценция (возбуждение механическим воздействием), хемилюминесценция (возбуждение химической реакцией). 1. Механизму преобразования энергии, 2. Временным характеристикам свечения.

Классификация люминесценции 1. По типу возбуждения: фотолюминесценция (возбуждение светом), радиолюминесценция (возбуждение радиацией), электролюминесценция (возбуждение электрическим полем), триболюминесценция (возбуждение механическим воздействием), хемилюминесценция (возбуждение химической реакцией). 1. Механизму преобразования энергии, 2. Временным характеристикам свечения. 3. По виду возбуждения различают (возникает при хим. реакциях).

Люминесценция (от лат. lumen — свет и -escent — суффикс, означающий слабое действие) - излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. Первая часть определения отделяет Л. от теплового излучения, люминесцировать вещество может при любой температуре (холодное свечение). Вторая часть определения (признак длительности) отделяет Л. от различных видов рассеяния и отражения света. Она отличается тем, что между поглощением и испусканием происходят промежуточные процессы, длительность которых больше периода световой волны.

Люминесценция - испускание фотонов при переходе электронов из возбужденных состояний в основные. В синглетном возбужденном состоянии электрон, перешедший на орбиталь с более высокой энергией и второй электрон, оставший на орбитали с более низкой энергией имеют противоположную ориентацию спинов. В триплетном возбужденном состоянии эти электроны имеют одинаковую ориентацию спинов. При возвращении электрона из возбужденного синглетного состояния в основное ориентация его спина не меняется. При возвращении электрона из возбужденного триплетного состояния в основное спин изменяется. Флуоресценция - это испускание фотона, происходящее при возвращении электрона из синглетного возбужденного состояния на более низкую орбиталь. Такие переходы происходят быстро (за время примерно 10 -8 с). Фосфоресценция - это испускание фотона, происходящее при переходе электрона из возбужденного триплетного состояния в основное (переход затруднен, время затухания фосфоресценции от 10 -3 с до секунд).

Флуорофоры – вещества, которые обладают способностью к флуоресценции. Тоник с добавлением хинина светится голубым светом при наблюдении с направления перпендикулярного направлению проходящего через жидкость света. Хинин, возбуждаемый ультрафиолетовым излучением солнца, при возвращении в основное состояние испускает голубой свет с длиной волны около 450 нм.

Строение магнитной жидкости

Квантовые генераторы – класс приборов, основанный на явлении вынужденного (индуцированного) излучения. Принцип действия квантового генератора был предложен в 1954 г. американским физиком Ч. Таунсом и советскими Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым.

Вынужденное (индуцированное) излучение В 1916 г. Эйнштейн показал, что свет резонансной (поглощаемой) частоты вызывает излучение квантов света атомами уже находящимися в возбужденном состоянии. Излучаемые кванты идентичны (когерентны) по частоте, фазе, поляризации и направлению распространения резонансному излучению.

Спонтанное и вынужденное излучение

Активная среда Для усиления за счет вынужденного излучения необходимо: 1. Чтобы волна проходила сквозь среду, атомы которой имеют разность энергетических уровней E 2 -E 1 равную частоте электромагнитной волны умноженной на постоянную Планка: E 2 - E 1 = hυ. 2. Чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением необходим избыток атомов в возбужденном состоянии. Его можно создавать путем накачки (подвода оптической, электрической или химической энергии).

Система накачки В твердотельных лазерах накачка осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками (оптическая накачка). Накачка осуществляется в импульсном режиме, поскольку при длительном воздействии сильно разогревается и разрушается сама активная среда. В газовых и жидкостных лазерах (гелий-неоновый, лазер на красителях) используется накачка непрерывным электрическим разрядом. Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом в возбужденном состоянии находятся атомы или молекулы продуктов реакции, либо специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней. Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного постоянного тока через p-n переход.

Трехуровневый квантовый генератор

Трехуровневая схема Первоначально все атомы находятся на самом низком уровне E 1, а уровни E 2 и E 3 не заполнены. Лампа или радиочастотный генератор "накачки" дает излучение с частотой, соответствующей переходу с нижнего уровня E 1 на верхний E 3. Когда на уровне E 3 накопится достаточно много атомов, увеличивается скорость безызлучательного перехода с E 3 на E 2, что сопровождается генерацией тепла (требуется охлаждение). Когда на уровне E 2, накопится много атомов устанавливается постоянный режим генерации излучения, отвечающего переходам с E 2 на E 1. ,

Резонатор Усиление резонансного излучения реализуется путем помещения активной среды в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы.

Резонатор квантового генератора

Лазеры - оптические квантовые генераторы, которые дают излучение, относящееся к видимой и инфракрасной областям спектра (длины волн меньше 1 мм). По интенсивности такие генераторы намного превосходят все другие виды источников излучения.

Темы коротких сообщений 1. Использование лазеров в медицине. 2. Использование лазеров в военной технике. 3. Газовые лазеры и их применение. 4. Лазеры на красителях и их применение. 5. Мазеры и их применение. 6. Лазерные указки.

Благодарю за внимание! 34