Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Em — En = b.
Возможен и обратный процесс: электромагнитное поле может вызвать переход атома (молекулы, иона) из состояния Em в состояние Enj заставив этот атом излучить фотон, причем частота фотона будет определяться из равенства
52 Объяснение спектров
Электромагнитное поле определенной напряженности в одинаковой мере способно вызывать как переходы с высоких энергетических уровней на низкие, так и наоборот, с низких — на более высокие. Это позволяет дать квантовомеханическое объяснение наличию светлых и темных линий в спектрах. Дело в том, что взаимное расположение энергетических уровней различно для атомов разных элементов. Возьмем какой-нибудь определенный элемент; разности энергий для пар различных уровней пропорциональны частотам спектральных линий, излучаемых атомами этого элемента, когда они находятся в возбужденных состояниях, и частотам линий поглощения, когда свет пропускается сквозь газ, состоящий из атомов того же элемента.
Чтобы окончательно разобраться в процессе поглощения энергии на определенных частотах, происходящем, когда яркий свет распространяется сквозь газ (скажем, свет Солнца — сквозь его собственную атмо-сферу), нам надлежит также выяснить, какая доля атомов (молекул или ионов) газа находится в каждом из различных энергетических состояний. Допустим, что вся система уровней данного атома (молекулы, иона) состоит из двух уровней, или, иными словами, возможны только два энергетических состояния, причем разность их энергий отвечает частоте v. Интенсивное электромагнитное излучение может быстро вызвать переход атома либо с нижнего уровня на верхний, либо с верхнего на нижний. Если большая часть атомов газа находилась первоначально на нижнем уровне, то под действием электромагнитного излучения произойдет больше вынужденных переходов с этого нижнего уровня на верхний. Так, если на верхнем уровне вообще не было атомов (ионов, молекул), то электромагнитное излучение, разумеется, совсем' не сможет вызвать переходов с этого уровня на нижний. И наоборот, если сначала большинство атомов находилось именно на верхнем уровне, то излучение вызывало бы больше переходов с верхнего уровня на нижний.
Подводя итог, можно сказать, что, когда на нижнем уровне энергии больше атомов (молекул, ионов), чем на верхнем, число переходов на верхний уровень превышает
53 число обратных переходов и, следовательно, в среднем вещество будет поглощать энергию (внешнего излучения). Напротив, когда большая часть атомов занимает верхний уровень, в среднем вещество будет излучать энергию и к внешнему, вынуждающему излучению будет добавляться энергия излучения атомов.
Больцмановское распределение
Атомы, или молекулы, или ионы газа могут терять и приобретать энергию строго определенными порциями также в результате взаимных столкновений.
Какой закон определяет, скольким атомам (или молекулам, или ионам) из общего их числа надлежит находиться на каждом из различных энергетических уровней? Обычно это больцмановское распределение (кривая этого распределения изображена на фиг. 4). Эта кривая показывает, что в газе при данной температуре каждый конкретный атом (или молекула, или ион) большую часть своего времени должен проводить в состоянии с меньшей энергией и чем выше энергетический уровень, тем меньше время, в течение которого атом можег на нем находиться. Применительно к газу, состоящему из большого числа атомов (молекул, ионов), можно па основании больцмановского распределения утверждать, что в каждый момент времени на верхних энергетических уровнях будет меньше атомов, чем на нижних, причем чем выше уровень, тем меньше будет атомов с соответствующим уровнем энергии. Таким образом, когда количество атомов (или молекул, или ионов) на различных энергетических уровнях повинуется больцмановско-му распределению, газ будет поглощать часть идущего сквозь него излучения, то есть ослаблять это излучение.
Нам следует запомнить, что, за исключением некоторых специальных случаев, количество атомов (молекул, ионов) на каждом из возможных энергетических уровней соответствует именно тому, которое задается больц-мановским распределением.
Применение сверхвысокочастотной радиоспектроскопии в технике связи
Квантовая механика дала спектроскопии нечто чрезвычайно важное — фундаментальную теорию спектров. Другой весьма ценный вклад в спектроскопию внесла
54 радиотехника сверхвысоких частот, особенно бурно развивавшаяся в годы второй мировой войны и в послевоенный период. Очень плодотворным оказался также и опыт физиков в этой новой области техники, приобретенный ими в военное время при работе над радиолокаторами.
После войны многие физики вернулись в университетские лаборатории, владея новыми, мощными средствами СВЧ-техники, которые они сразу попытались применить в спектроскопии. Это, конечно, была уже не оптическая спектроскопия: ведь частоты света — это частоты выше IO14 гц, а СВЧ-радиоспектроскопия исследует область частот порядка IO10 гц.
Одним из физиков, занявшихся СВЧ-спектроскопией, был Чарльз X. Таунс, он работал тогда в фирме «Белл телефон лабораториз», а сейчас, когда я пишу эти строки, занимает пост ректора Массачусетского технологического института. В 1948 году многие еще не предвидели, что СВЧ-спектроскопии суждено сыграть очень важную роль в технике связи. Тогда казалось, что СВЧ-спектро-скопия относится к чистой физике, поэтому Таунс, для того чтобы продолжать свои исследования в области СВЧ-спектроскопии, перешел в 1948 году из фирмы «Белл телефон лабораториз» в Колумбийский университет.
