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


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



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)


What is a…


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



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


Optical Resonant Cavity

Mirror Total reflection

Mirror Partial reflection

Pumping Source

Atoms


Pumping Source

Pump Cycle

Excited Atoms


Pumping Source

Emission and Lasing

Pumping Source Pumping Source Pumping Source


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


Promieniowanie rentgenowskie

wysoko energetyczne promieniowanie EM

widmo ciągłe – promieniowanie hamowania elektronów

widmo charakterystyczne – wzbudzenie elektronów z wewnętrznych powłok atomowych

U = 104 eV


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


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


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


Absorpcja promieni X

IdxdI a xoeIxI a

a - liniowy współczynnik pochłaniania

zależny od rodzaju absorbenta

Zastosowanie w diagnostyce medycznej

I – natężenie promieniowania


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


Anchorage, USA, May 2002

promieniowanie atomów wzbudzonych - leszek r....

Documents