Поглощение света атомами какого-либо элемента можно наблюдать, пропуская пучок света от источника со сплошным спектром через среду, в которой находятся свободные атомы этого элемента. Применяя прибор с большой разрешающей способностью, легко обнару-жить провалы интенсивности в определенных участках сплошного спектра, соответствующих энергиям перехо-дов атомов из более низкого в более высокое энергети-ческое состояние.

Атомное поглощение характеризуется экспоненциаль-ным законом убывания интенсивности проходящего све-та J в зависимости от длины слоя l, аналогичным за-кону Ламберта в молекулярной спектроскопии:

J=J (3)

Здесь J -- интенсивность падающего пучка света, kv -- коэффициент поглощения света, зависящий от частоты . Коэффициент поглощения является основной харак-теристикой, описывающей свойства линий поглощения, подобно понятию интенсивности в эмиссионной спектро-скопии. Законы распределения коэффициента поглоще-ния по контуру линий поглощения аналогичны законам распределения интенсивности по контуру линий испуска-ния.

При практических измерениях удобно также приме-нять величину оптической плотности D, которая опреде-ляется как

D= (4)

Учитывая (2), имеем:

D=l lg(e) 0.4343l (5)

откуда следует, что оптическая плотность прямо пропор-циональна коэффициенту поглощения.

Атомное поглощение со-ответствует переходам атомов из более низких в более высокие энергетические состояния. Поэтому естественно, что величина поглощения зависит от заселенности ниж-него уровня, соответствующего наблюдаемой линии.

Заселенность возбужденных уровней незначительна по сравнению с нижним уровнем. Поэтому наибольшее поглощение наблюдается для ли-ний, соответствующих поглощательным переходам с нижнего невозбужденного уровня. Эти линии в атомно-абсорбционном анализе называют резонансными.

1.3. КОНТУР ЛИНИИ ПОГЛОЩЕНИЯ

Линии поглощения, как и линии испускания, пред-ставляют собой не монохроматические, бесконечно тон-кие линии, а имеют определенную конечную ширину. Под полушириной линии поглощения подразумевает-ся ширина контура в том месте, где коэффициент погло-щения kv уменьшается вдвое. Полуширину линии удобно выражать не в единицах длин волн, а в частотах поскольку полуширина, выраженная в этих единицах, опи-сывает свойства линии поглощения независи-мо от ее длины волны.

Рис 1 контур линии.

Легко установить связь между полуши-риной, выраженной в частотах.

(сек)= (6)

(см)=

где с -- скорость света.

Форма контура линий определяется суммарным дей-ствием следующих факторов:

естественное уширение;

допплеровское уширение;

лорентцевское уширение.

Другие возможные причины уширения спектральных линий, связанные, например, с взаимодействием атомов с электрически заряженными частицами или друг с дру-гом, не существенны для наиболее распространенных способов получения поглощающих слоев. Поэтому рассмотрим только указанных выше уширения.

1)Естественное уширение линий связано, с точки зре-ния квантовой электродинамики, со степенью расшире-ния уровней. Расширение является результатом конеч-ного времени жизни () уровней, между которыми про-исходит переход. Нормальный уровень стабилен (= ), поэтому для резонансных переходов существенна только ширина верхнего уровня. Итак

= (7)

Контур линии, обусловленный естественным уширением, имеет дисперсионную форму, описываемую выра-жением

= (8)

Где k0 -коэффициент поглощения в центре линии.

2)Допплеровское уширение линий связано с беспоря-дочным тепловым движением атомов относительно наблюдателя. В результате движения атома со скоростью, проекция которой на направление наблюдения равна vx, частота поглощения атомом представляется наблюда-телю смещенной на

= (9)

где -скорость движения частицы.

Если движение атомов в поглощающей ячейке под-чиняется распределению Максвелла, которое всегда справедливо для термодинамических равновесных систем, то распределение коэффициента поглощения kv опреде-ляется выражение

= (10)

где А--атомный вес, R -- газовая постоянная, Т -- тем-пература, ko(D) -- коэффициент поглощения в центре ли-нии. Величина ko(D) определяется формулой

= (11)

здесь f -- сила осциллятора, N--концентрация атомов.

Допплеровская полуширина линии:

= (12)

или после подстановки постоянных,

=0.716*10 (13)

3)лорентцевское уширение. Впервые ударный механизм уширения был рассмо-трен Лорентцем в 1905 г. Согласно Лорентцу излучение атома рассматривалось как гармоническое колебание внутриатомного электрона. В момент столкновения ато-ма с посторонней частицей колебание обрывалось, а после столкновения возобновлялось с той же самой ча-стотой. Таким образом, колебания представлялись в виде отрезков синусоиды со случайным распределением фаз в отдельных отрезках.

Контур линии, обусловленный лорентцевским эффек-том, имеет такой же вид, как и при естественном уширении линии:

= (14)

здесь --коэффициент поглощения в центре линии,

= (15)

лорентцевская полуширина линии, которая в свою очередь зависит от условий опыта согласно выражению

=2*6,02*10P (16)

у-- эффективное сечение для уширяющего столкновения между атомом и молекулой, где Р -- давление газа, А -- атомный вес атомов, М -- молекулярный вес газа;

Согласно современным предста-влениям, взаимодействие между частицами ведет не к обрыву, а лишь к изменению фазы колебаний. В расчет принимаются все изменения фазы, вызванные как близ-кими, так и дальними пролетам взаимодействующих частиц. Последнее обстоятельство позволило объяснить сдвиг линий относительно первоначальной частоты v0 на величину vs.

1.4 СВЯЗЬ МЕЖДУ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПОГЛОЩЕНИЯ В ЦЕНТРЕ ДОПЛЕРОВСКОЙ ЛИНИИ (k) И КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ПОГЛОЩАЮЩИХ АТОМОВ ( ИЛИ ДАВЛЕНИЕМ ПАРА P)

Коэффициент поглощения в центре доплеровской линии и концентрация поглощающих атомов связаны соотношением:

= (17)

то с учётом применимости основного уравнения идеального газа к насыщенному пару при давлениях ниже атмосферных в виде:

P=kT (18)

Находим связь между давлением пара и коэффициентом поглощения в центре доплеровской линии:

(19)

Где м - молекулярный вес, R-универсальная газовая постоянная, T- температура поглощающего слоя газа, н - частота на которую приходится центр линии, f-сила осциллятора.

Вычисление концентрации поглощающих атомов экспериментально:

(20)

D-оптическая плотность

(21)

Коэффициент поглощения

(22)

Теоретически:

(23)

Где л - длина свободного пробега, d-расстояние между электродами, ц - потенциал ионизации.

(24)

Где d - диаметр молекулы NE.

(25)
A-атомный вес, S- площадь сечения, М- молярный вес

ГЛАВА 2

ЛАЗЕРЫ

2.1 ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА

У истоков глобальных перемен стояли выдающиеся физики XX века Николай Геннадьевич Басов, Александр Михайлович Прохоров и американец Чарлз Хард Таунс.В 1964 году все трое получили Нобелевскую премию "за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на принципе лазера-мазера".

Принцип работы лазера:

Рассмотрим схему энергетических уровней некоторого атома (рис.1).

Зная, что, если атому, находящемуся на основном уровне W1, сообщить энергию, то он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.2а). Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (рис.2б). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии Wm на уровень энергии Wn, то частота излучаемого (или поглощаемого) света нmn = (Wm - Wn)/h.

Страницы: 1, 2, 3, 4