Promieniowanie atomów wzbudzonych - Leszek R....
Transcript of Promieniowanie atomów wzbudzonych - Leszek R....
Anchorage, USA, May 2002
Promieniowanie atomów wzbudzonych
W-27 (Jaroszewicz) 23 slajdy Na podstawie prezentacji prof. J. Rutkowskiego
Promieniowanie spontaniczne
Promieniowanie wymuszone
Promieniowanie rentgenowskie
Widma optyczne wzbudzenie atomu, czyli przejście elektronów walencyjnych
na wyższe poziomy energetyczne zachodzi pod wpływem:
ogrzewania,
wyładowania elektrycznego,
oświetlenia promieniowaniem widzialnym i nadfioletowym,
reakcji chemicznej,
wzbudzone atomy przechodzą do stanu niższego promieniu-jąc energię w postaci kwantów promieniowania
każdy pierwiastek ma charakterystyczny układ linii emisyj-nych
przejścia odbywają się zgodne z regułami wyboru (l=1, j=0, 1 są bardziej prawdopodobne od innych)
czas życia na poziomach wzbudzonych 10-8 s jest wielokrot-nie krótszy od czasu na poziomach metatrwałych (10-2 s)
3/23-W27 L.R. Jaroszewicz
5/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Absorpcja i emisja spontaniczna
En
Em
hnm
emisja spontaniczna
Emisję kwantu promieniowania przy samorzutnym przejściu atomu ze stanu wzbudzonego do stanu niższego energetycznie nazywamy emisją samoistną
Nn(t) – liczba wzbudzonych atomów
Obliczmy ile ich ubędzie w czasie dt:
dNn = -AnmNndt
dtAN
dNnm
n
n CtAN nmn ln
0
00
n
nn
NC
NNt
ln
,
t
ntA
nn eNeNtN nm )()( 00
gdzie Anm = 1/ – współczynnik spontanicznego przejścia, określający szybkość
przejść dla emisji spontanicznej, jest równy odwrotności średniego czasu życia atomów w stanie wzbudzonym
Procesem odwrotnym jest absorpcja, przejście atomu ze stanu podstawowego do
stanu wzbudzonego w zależności od gęstości promieniowania u dtuNBdN mmnm
rozkład boltzmanowski
Em En
Nm
Nn
Rozkład obsadzeń stanów energetycznych
kTEAeEN
rozkład Boltzmanna prawdopodobieństwo z jakim atomy zajmują
różne stany energetyczne
Stany o niższej energii są obsadzane z większym prawdopodobieństwem niż stany o wyższej energii
Nn << Nm rozkład antyboltzmanowski
Nn > Nm rozkład anty-
boltzmanowski – odwrócenie rozkładu Boltzmana metodą pompowania
6/23-W27 L.R. Jaroszewicz
7/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Promieniowanie wymuszone
emisja wymuszona
absorpcja
W przypadku inwersji obsadzeń oddziaływa-nie fali elektromagnetycznej z cząstkami układu prowadzi do emisji wymuszonej
dtuNBdN nnmn
Prawdopodobieństwa przejść między stanami m i n określa się za pomocą współczynników Einsteina: Bmn, Bnm, Anm Z warunku równowa-gi:
liczba przejść: absorpcyjnych,
emisyjnych spontanicznych i wymuszonych
dtuNBdtNAdtuNB nnmnnmmmn
emisja spontaniczna jest bardziej prawdopodobna niż wymuszona nmnmnmmn BchAorazBB 338
10-12 lecz Anm>Bnmu
Emisja spontaniczna a wymuszona
• różne kierunki
• przypadkowa faza
• ten sam kierunek
• zgodna faza (spójność)
8/23-W27 L.R. Jaroszewicz
What is a…
9/23-W27 L.R. Jaroszewicz
LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation wzmocnienie światła wskutek zjawiska emisji wymuszonej
1
1
1
2
2
2
3
3
3
3
2
1
( a )
( b )
( c )
( d )
3 w z b u d z o n e a t o m y
P ie r w s z y f o t o n
P ie r w s z y f o t o n
F o t o n w y e m i t o w a n y
p r z e z p ie r w s z y a t o m
F o t o n w y e m i t o w a n y
p r z e z d r u g i a t o m
laser – generator i wzmacniacz promieniowania ośrodek aktywny – atomy, cząsteczki pompowanie– inwersja obsadzeń wzmocnienie – wnęka rezonansowa
foton wysyłany w procesie emisji wymuszonej ma taką samą fazę i kierunek ruchu jak foton padający
światło lasera jest: bardzo spójne zbieżne (dobrze ukierunkowane) quai-monochromatyczne często spolaryzowane
10/23-W27 L.R. Jaroszewicz
11/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Laser helowo-neonowy
poziomy energetyczne He-Ne
przejście
bezpromieniste
w wyniku zderzeń
ze ściankami
napięcie V powoduje przepływ elektronów przez mieszankę gazów: helu z neonem
atomy helu w wyniku zderzeń z elektronami wzbudzają się do stanu metatrwałego E3
zderzenia He-Ne wzbudzają atomy neonu do stanu E2 o energii podobnej co energii E3
uzyskujemy inwersje obsadzeń pomiędzy stanami E2 i E1 gdyż: •początkowo mało atomów Ne w stanie E1 •metatrwałość poziomu E3 He zapewnia stały dopływ atomów Ne w stanie E2 •atomy Ne o stanie energii E1 szybko przechodzą do stanu podstawowego E0
emisja spontaniczna daje początek emisji wymuszonej wzmocnionej w rezonatorze
Laser rubinowy
laser rubinowy z domieszką Cr
absorbując światło lampy błyskowej atomy chromu przechodzą do stanu wzbudzonego 3 skąd większość przejdzie do stanu metastabilnego 2 tworząc inwersję obsadzeń. Spontaniczne przejście A21 wywołuje emisję wymuszoną B21 praca impulsowa
schemat poziomów jonu chromu
1
3
2 A31 B13 B21 A21
pompowanie
poziom
metastabilny
poziom podstawowy
poziom wzbudzony =10-8 s
12/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Optical Resonant Cavity
Mirror Total reflection
Mirror Partial reflection
Pumping Source
Atoms
13/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Pumping Source
Pump Cycle
Excited Atoms
14/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Pumping Source
Emission and Lasing
Pumping Source Pumping Source Pumping Source
15/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Rozwój laserów od uruchomienia w 1960 roku pierwszego lasera
technologia tych urządzeń bardzo się rozwinęła
lasery impulsowe i o pracy ciągłej
ośrodki czynne: gazy, ciecze i ciała stałe
zakres długości fal od podczerwieni do nadfioletu
zastosowania laserów ze względu na cechy emitowanego światła:
kolimacja – operowanie na dużych odległościach: dalmierze, celowniki
kolimacja – duże gęstości mocy: medycyna, obróbka materiałów
monochromatyczność – modulowanie wiązki: telekomunikacja, łączność,
spójność – interferencyjny zapis obrazów: holografia, zapis informacji
16/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Promieniowanie rentgenowskie
wysoko energetyczne promieniowanie EM
widmo ciągłe – promieniowanie hamowania elektronów
widmo charakterystyczne – wzbudzenie elektronów z wewnętrznych powłok atomowych
U = 104 eV
17/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Promieniowanie hamowania
Elektron o początkowej energii kinetycznej Ek w wyniku oddziaływania z ciężkim jądrem tarczy jest hamowany i energia jaką traci pojawia się w formie kwantów
'kk EE
chh
eUc
hh
min
max
w wyniku zderzeń elektrony tracą różne ilości energii otrzymujemy więc szereg fotonów o różnych długościach fali (widmo ciągłe)
minimalna długość fali zależy jedynie od napięcia U, a nie np. od tarczy
18/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Promieniowanie charakterystyczne
Ka z n = 2 na 1
La z n = 3 na 2
n = 3
n = 2
a z n+1 na n
b z n+2 na n
g z n+3 na n
Ma z n = 4 na 3
n = 1
w spektroskopii rentgenowskiej numery powłok o n=1, 2, 3 oznacza się K, L, M
Widmo liniowe powstaje w wyniku przejść elektronów na wolne miejsca po wybitym elektronie
19/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Widmo promieni X
bZ~ prawo Moseleya
Linie charakterystyczne:
22
2 11
nmRcbZ
c
Z – liczba atomowa b – stała ekranowania
widmo liniowe zależy od atomów pierwiastka anody
Ka przejście
z L na K
Widmo promieniowania rentgenowskiego
własnością określającą położenie pierwiastka w układzie okresowym nie jest jego masa atomowa, lecz liczba atomowa Z – liczba protonów w jądrze
przy mniejszych napięciach linie charakterystyczne nie pojawiają się
20/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Absorpcja promieni X
IdxdI a xoeIxI a
a - liniowy współczynnik pochłaniania
zależny od rodzaju absorbenta
Zastosowanie w diagnostyce medycznej
I – natężenie promieniowania
21/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Rentgenografia Zastosowanie promieni X do określania struktury krystalicznej ze względu na porównywalne długości tych fal z odległościami atomów w ciałach stałych
d
d
Pła
szcz
yzny
si
ecio
we
Promieniepadające
Promienieodbite
. .
nd sin2
Warunek Wulfa-Bragga na wzmocnienie interferencyjne
22/23-W27 L.R. Jaroszewicz
Anchorage, USA, May 2002