Комбинационное рассеяние света

Поглощение и рассеяние света

Поглощение света

При поглощении света веществом происходит уменьшение интенсивности оптического излучения.

Основным законом, описывающим поглощение света, является закон Бугера-Ламберта

, (9.3)

который связывает интенсивность J пучка света, прошедшего слой поглощающей среды толщиной d, с интенсивностью падающего пучка J₀.

Коэффициент а_l называют показателем поглощения, который различен для разных длин волн.

Закон Бугера-Ламберта является решением уравнения

. (9.4)

С современной точки зрения физический смысл его состоит в том, что процесс потери фотонов, характеризующий а_l, не зависит от их плотности в световом пучке, т. е. от интенсивности света и от толщины поглощающего слоя d.

Согласно квантовой теории процесс поглощения света связан с переходом электронов в поглощаемых атомах, ионах, молекулах, или твердом теле с более низких энергетических уровней на более высокие энергетические уровни.

В световых пучках большой интенсивности закон Бугера-Ламберта не выполняется.

Если в поглощающей среде искусственно создана инверсия населенности, то каждый фотон из падающего пучка света имеет большую вероятность индуцировать испускание точно такого же фотона, чем быть поглощенным самому (вынужденное излучение).

В этом случае интенсивность выходящего пучка света J превосходит интенсивность падающего света J₀.

Сл6едовательно, происходит не поглощение, а усиление света, что используется в квантовых усилителях и квантовых генераторах (лазерах).

Поглощение света используется в различных областях науки и техники в особо высокочувствительных методах количественного и качественного химического анализа.

Рассеяние света

Изменение какой-либо характеристики потока оптического излучения при его взаимодействии с веществом называют рассеянием света.

Этими характеристиками могут быть пространственное распределение интенсивности, частотный спектр, поляризация света.

Во многих случаях оказывается достаточно описать рассеяние света в рамках классической волновой теории излучения, с точки зрения которой падающая волна возбуждает в частицах среды вынужденные колебания электрических зарядов.

Это приводит к возникновению вторичных световых волн.

В случае оптически однородных веществ рассеивание отсутствует, так как вторичные волны взаимно поглощаются вследствие интерференции.

Обычно рассеяние света наблюдается в оптически неоднородных средах, показатель преломления которых изменяется от точки к точке.

Такими средами являются аэрозоли (туман, дым), эмульсии, коллоидные растворы, матовые стекла и т. д.

Если расстояние между малыми по размеру неоднородностями среды много больше длины волны падающего света, то излучаемые ими вторичные волны не когерентны и при наложении не могут интерферировать,.

Следовательно, неоднородная среда рассеивает свет по всем направлениям.

Рэлей показал, что интенсивность J света, рассеянного частицей, обратно пропорциональна четвертой степени длины волны (закон Рэлея),

т. е.

J ~l^-4. (9.5)

Если энергия испущенного фотона равна энергии поглощенного фотона, то рассеяние света называют рэлеевским, или упругим.

Последовательное описание рассеяния света возможно в рамках квантовой теории взаимодействия излучения (света) с веществом, основанной на квантовой электродинамике и квантовых представлениях о строении вещества.

В этой теории единичный акт рассеяния света рассматривается как поглощение частицей вещества падающего фотона с энергией, импульсом и поляризацией, а затем испускание вторичного фотона с другими значениями энергии, импульса и поляризации.

Рассеяние света в кристаллах можно рассматривать как результат дифракции падающего излучения на упругих тепловых волнах гиперзвуковых частот n~10¹⁰ Гц (явление Мандельштама - Бриллюэна).

Комбинационное рассеяние света

Рассеяние света в газах, жидкостях и кристаллах, сопровождающееся изменением его частоты, называют комбинационным рассеянием света.

Комбинационное рассеяние света исследовали Рамон, Мандельштам, Ландсберг, Кришнан и др.

В отличие от рэлеевского, при комбинационном рассеянии света в спектре рассеянного излучения наблюдаются спектральные линии, отсутствующие в линейчатом спектре падающей волны.

Число и расположение возникающих линий определяется молекулярным строением вещества.

При комбинационном рассеянии света изменение частоты падающего излучения сопровождается переходом рассеиваемых молекул на другие колебательные или вращательные уровни.

Комбинационное рассеяние света с изменением электронного состояния молекул наблюдается в небольшом числе случаев.

В отличие от люминесценции, при комбинационном рассеянии света система под действием кванта с энергией e = hn не переходит в возбужденное электронное состоянии.

Поэтому энергия e = hn падающего кванта может быть значительно меньше энергии e = hn_е кванта, способного перевести молекулу из основного электронного состояния W_e0 в возбужденное электронное состояние W₁₀ (рис. 9.7, а).

Рис. 9.7

Комбинационное рассеяние света, возникающее при переходе молекул из невозбужденного колебательного состояния, с колебательным квантовым числом v = 0, в возбужденное состояние с колебательным квантовым числом v = 1, v = 2 и т. д., называют стоксовым комбинационным рассеянием света (рис. 9.7, б).

Если же молекула до воздействия света находилась в возбужденном состоянии, например, характеризуемом v = 1, то при комбинационном рассеянии света она может перейти в невозбужденное колебательное состояние с v = 0.Причем энергия рассеянного светового кванта hn^** > hn

- антистоксово комбинационное рассеяние света (рис. 9.7, в).

Все сказанное относится и к комбинационному рассеянию света

с изменением вращательного состояния молекулы, характеризующегося вращательными квантовыми числами.

Соотношения между энергиями падающего и рассеянного фотонов в случае стоксова комбинационного рассеяния света имеет вид

hn^* = hn - hn_к, (9.6)

а в случае антистоксова комбинационного рассеяния света -

hn^** = hn + hn_к, (9.7)

где hn_к представляет собой энергию возбужденного колебательного (или вращательного) состояния молекулы.

Таким образом, при прохождении излучения сквозь вещество может наблюдаться рассеяние трех видов: когерентное рассеяние без изменения длины волны; рассеяние с потерей энергии, часть которой идет на возбуждение лучеиспускания рассеивающим веществом; рассеяние с увеличением энергии рассеянных фотонов (комбинационное рассеяние света).

Рис. 9.8

Квантовая теория объяснила различие интенсивности стоксовых и антистоксовых линий комбинационного рассеяния света. Если в веществе имеется ряд собственных частот n₁, n₂, n₃, ... , колебаний молекул, то в спектре рассеянного света появляется набор комбинационных частот: n₀ ± n₁, n₀ ± n₂, n₀ ± n₃, ... . Спектры комбинационного рассеяния света получают с помощью специальной оптической установки, в которой падающий пучок света концентрируют на излучаемом веществе.

В качестве источника света используют лазер. Рассеянный свет наблюдается под углом рассеяния q = 90⁰ к направлению падающего пучка света (рис. 9.8), где Л - лазер; К - кювета с рассеивающим веществом или кристалл; N - призма Николя; - электрический вектор падающей световой волны; - индуцированный дипольный момент.

Под действием на рассеивающую среду мощного лазерного излучения свойства среды изменяются так, что в ней возникает вынужденное комбинационное рассеяние света.

Закономерности комбинационного рассеяния света используют в молекулярном спектральном анализе при изучении спектров сложных молекул, в том числе и органических соединений.

Люминесценция

Люминесценцией называют избыточное свечение тела над температурным излучением того же тела в данной спектральной области и при данной температуре, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью свечения, значительно превышающей период световых колебаний Т » 10^-15 с.

При этом выполняется закон Стокса: свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем свет, вызывающий люминесценцию.

Закон Стокса непосредственно вытекает из квантовых представлений о природе света.

Существует много разновидностей люминесценции.

По механизму элементарных процессов различают резонансную, спонтанную, метастабильную (вынужденную) и релаксационную люминесценции. Кроме способа возбуждения, к основным характеристикам люминесценции относятся энергия и квантовый выход, кинетика, спектральный состав свечения и возбуждающего света, механизм преобразования энергии. Люминесцировать могут вещества во всех агрегатных состояниях - газы и пары, растворы органических веществ, стекла, кристаллические вещества и др. Основным условием является наличие дискретного спектра. Вещества с непрерывным энергетическим спектром (например, металлы в конденсированном состоянии) не люминесцируют, так как в них энергия возбуждения непрерывным образом переходит в теплоту. Кроме того, для возникновения люминесценции вероятность излучательных переходов должна превышать вероятность безызлучательных. Упрощенная схема электронных переходов в кристаллофосфорах представлена на рис. 9.9. Между энергетическими зонами - валентной «В» и проводимости «С» - расположены локальные уровни энергии, связанные с атомами примесей или дефектами решетки; 1 и 2 -

Рис. 9.9

уровни центра люминесценции; 3 - ловушки электронов; 4 - уровень безызлучательный рекомбинации; переходы а и б соответствуют возбуждению люминесценции; в - ионизация центра дыркой; г и д - оседание электронов на ловушках и их освобождение. Люминесценция наблюдается в природе - северное (полярное) сияние, свечение некоторых насекомых, минералов, гниющего дерева и т. д. Явление люминесценции нашло применение в науке и технике. Люминесцентные источники света используются в виде ламп дневного света, кинескопов телевизоров, осциллографов и другой аппаратуры.