Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
3. Приведенное классическое толкование резонансного излучения на первый взгляд представляется весьма убедительным и единственно возможным. При критическом рассмотрении это оказывается не совсем так. Действительно, резонансное излучение не есть обособленное явление, а представляет частный случай более общего явления — излучения спектральных линий. В основе обоих этих явлений должен лежать один и тот же механизм. Происхождение спектральных линий и спектральных серий классическая физика объяснить не могла. Это удалось сделать только квантовой теории. Естественно думать, что и резонансное излучение должно иметь также квантовое истолкование. Последнее действительно существует и заключается в следующем.
Квант падающего света hv должен возбудить атом, т. е. перевести его с нормального энергетического уровня 81 на вышележащий уровень. Пусть 82 — ближайший уровень, лежащий выше <В\. Если hv < 82 — <§і, то энергии светового кванта hv недостаточно, чтобы перевести атом на уровень Ж2- В этом случае возбуждение атома световым квантом невозможно. Для возбуждения уровня &2 необходимо, чтобы <ЁГ2 ^ IFi + frv. Максимальное возбуждение будет происходить при условии Ж 2 = = «?1 + hv, когда вся энергия кванта hv расходуется на возбуждение уровня Si. Через короткое время атом с уровня возвращается на ближайший нижележащий уровень, т. е. 8\. При этом излучается световой квант hv' — 82 ~ <%\. Таким образом, v' = v, т, е. частоты возбуждающего и переизлучаемого
РЕЗОНАНСНОЕ СВЕЧЕНИЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
89
света одинаковы. В этом и состоит резонансное излучение, если его рассматривать с квантовой точки зрения.
То обстоятельство, что в парах натрия наблюдается излучение не одиночной линии, а двух близких линий D\ и D2, объясняется тем, что второй возбужденный уровень 82 атома натрия в действительности состоит из двух близко расположенных уровней.
С квантовой точки зрения, как и с классической, понятно и явление тушения свечения при увеличении концентрации газа. Действительно, атом, находящийся на возбужденном уровне &ч, может передать свою энергию без излучения окружающим атомам. Этот эффект усиливается с увеличением плотности газа или при добавлении к нему посторонних примесей.
Изложенное представляет только основную схему явления, но не охватывает всех его сторон. В частности, мы оставили в стороне все вопросы, связанные с уширением энергетических уровней и спектральных линий. Но это не входит в нашу задачу.
4. Постулаты Бора составляют основу для понимания явлений люминесценции, которые до этого оставались совершенно непонятными. Ответим сначала на вопрос, что такое люминесценция?
Все тела испускают электромагнитные волны, интенсивность и степень поляризации которых в различных участках спектра определяются температурой тела и его поглощательной способностью в соответствии с законом Кирхгофа (1824—1887). Такое излучение называется температурным или равновесным. Помимо температурного излучения, многие тела в результате различных внешних возбудителей дают избыточное излучение, не определяющееся температурой тела. Таково, например, свечение экрана в телевизоре, свечение газа в газоразрядной трубке при прохождении через него электрического тока, свечение сахара при раскалывании, свечение некоторых живых организмов (светлячков), свечение гниющего дерева и т. д. Все это — примеры холодного свечения. Такое избыточное над температурным излучение называется люминесценцией, если его длительность после прекращения внешнего воздействия (послесвечение) значительно превышает период световых колебаний.
Первая часть этого определения и самый термин «люминесценция» были введены Е Видеманом (1826—1899). Вторая часть — критерий длительности— был введен С. И. Вавиловым, чтобы отличить люминесценцию от более кратковременных явлений вторичного излучения — отражения и рассеяния света, тормозного излучения заряженных частиц, излучения Вавилова — Че-ренкова и пр. Конечно, этот критерий не определен вполне жестко и может служить только для общей ориентировки. В ряде случаев он не позволяет провести резкую грань между люминесценцией и нелюминесценцией. Раньше явления люминесценции делили на флуоресценцию и фосфоресценцию. Под флуоресценцией понимали излучение, прекращающееся мгновенно после прекращения действия вызывающего его внешнего возбудителя. Если же свечение продолжается некоторое время и после удаления возбудителя, то его называли фосфоресценцией. В свете более поздних исследований было выяснено, что никакой принципиальной разницы между флуоресценцией h фосфоресцен цией нет. Различие между ними чисто количественное — по времени длитель ности послесвечения. Поэтому указанное деление потеряло смысл Термин «флуоресценция» применяется и сейчас, но только для того, чтобы качественно подчеркнуть кратковременность свечения. Например, длительность резонансного свечения разреженных газов, как показали специальные измерения, порядка 10-8— 10~8 с.
90
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ И СПЕКТРЫ АТОМА
[ГЛ. II
К приведенному определению люминесценции следует добавить некоторые замечания. Поскольку температура — макроскопическое понятие, разделять полное излучение на температурное и люминесценцию имеет смысл не для отдельных молекул и атомов, а только для ик совокупностей — тел, имеющих определенную температуру. Если состояние тела столь неравновесно, что говорить об его температуре не приходится, то в этом случае нельзя говорить и о температурном излучении, и о люминесценции. Так будет и при свечении отдельных атомов и молекул. По этой причине для свечения газов, исследованного Вудом, мы предпочли нейтральный термин «резонансное излучение» вместо часто употребляемого термина «резонансная флуоресценция». Действительно, такое свечение наблюдается и в разреженных газах. Термин же «резонансная флуоресценция» оправдан, когда речь идет о свечении сравнительно плотных газов.
