Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Спектроскопия была одним из самых мощных средств исследования в физике XIX и начала XX веков. Область наблюдений за это время расширилась от длинноволновых, не видимых глазом инфракрасных лучей до очень коротковолновых, тоже невидимых ультрафиолетовых
49 лучей. Были определены частоты линий излучения (и поглощения) для различных элементов, а также числовые соотношения для частот, соответствующих определенным сериям линий.
Но каким мощным средством измерений ни была спектроскопия, все-таки лишь в 1913 году, когда Нильс Бор успешно применил квантовые идеи к проблеме строения атома, удалось вычислить частоты излучения и поглощения на основе элементарных данных — ньютоновских законов движения, закона притяжения для электрических зарядов, значений масс и зарядов электрона и протона и постоянной Планка 1г. Современные знания о структуре и поведении атомов, молекул и ионов 1 глубоки и сложны. На смену грубым, опирающимся на классические законы соображениям теперь пришли строго квантовомеханичеекие волновые уравнения Ирвина Шредингера и Поля-Адриена-Мориса Дирака. Научная мысль проникла в свойства кристаллов, представляющих собой упорядоченные системы атомов (о чем мы еще узнаем подробнее в последней главе этой книги, посвященной полупроводниковым приборам). Но на всех этих этапах развития наших знаний исследования по излучению отдельных атомов, молекул и ионов играли роль первостепенной важности. Квантовомеханичеекие детали процессов излучения бывают чрезвычайно сложными, однако существует общий квантовомеханический способ описания таких процессов, всегда применимый и всегда помогающий понять суть дела.
Уровни энергии
Скрипичной струне присущи определенные колебания, причем каждое из них обладает своей собственной частотой—так называемой резонансной частотой. То же самое характерно и для органной трубы. Аналогичным образом в полости с отражающими стенками могут существовать различные виды электромагнитных волн, причем каждый также имеет свою собственную частоту. Об этом мы уже говорили в предыдущей главе.
1 Ион — это атом или молекула, которые, потеряв или захватив избыточный электрон либо несколько электронов, приобрели таким образом соответствующий электрический заряд.
50 Квантовая механика утверждает, что атом, молекула или ион могут пребывать в любом из целого ряда различных состояний. Каждое такое состояние можно представлять себе как некоторый вид движений или колебаний частиц, из которых состоит атом, молекула или ион. Каждому состоянию присуща своя определенная энергия. Конечно, среди состояний одно обладает наименьшей энергией. Его называют основным состоянием. Все остальные носят название возбужденных состояний.
Энергия I
^2
\и m д
I
у возбужденные состояния
Основное состояние
Ф и г. 7.
Энергии различных состояний можно изобразить графически, как показано на фиг. 7. Расстояния по вертикали между соседними линиями здесь соответствуют разницам энергий для соседних состояний. Сами же горизонтальные линии на таких диаграммах указывают энергии различных состояний и потому называются уровнями энергии (термин уровень энергии используется вперемежку со словом состояние, когда нужно охарактеризовать какие-то определенные условия внутри атома, или молекулы, или иона). На фиг. 7 уровни энергии помечены буквами E0, Eu E2 и т. д. Вообще говоря, во многих диаграммах применяется более сложная система обозначений, отражающая физические характеристики состояний (скажем, в случае атома можно указать, какой электрон на какой орбите или уровне находится и т. д.). Подробное физическое описание каждого состояния очень сложно, поэтому мы просто примем на веру факт, что всякий атом (молекула, ион) обладает множеством возможных состояний, причем каждое состояние характеризуется определенной энергией.
51 Вынужденные переходы
Почему атомы, молекулы и ионы переходят из одного состояния (с одного уровня энергии) в другое состояние (на другой уровень) с более высокой или низкой энергией? Если атомы, молекулы или ионы не испытывают никакого внешнего влияния (воздействия) и находятся в любом из возможных энергетических состояний, кроме основного, то рано или поздно они без внешних причин переходят в какое-нибудь состояние с меньшей энергией. Разница энергий при этом выделяется в виде излучения. Однако в верхнем, возбужденном состоянии атом мог бы оставаться в течение многих суток и даже лет. Обычно переходы с одного энергетического уровня на другой происходят не в результате самопроизвольного излучения (физики говорят спонтанное излучение, спонтанный переход), а по какой-либо иной причине. Например, в газе переходы с уровня на уровень энергии вызываются столкновениями частиц друг с другом или со стенками сосуда, в котором находится газ. Электромагнитные волны тоже могут вызывать переходы атомов из одного состояния в другое. Эти-то переходы, обусловленные внешним электромагнитным излучением, и будут нас особенно интересовать.
Электромагнитное поле способно передавать свою энергию атомам, молекулам или ионам и таким образом вынуждать их перейти на более высокий уровень энергии. Так, поглотив квант частоты v, атом (или молекула, или ион) вынужден перейти из состояния с энергией En в состояние с энергией Em, причем между энергиями Emi En и энергией фотона hv существует следующее соотношение:
