	Уровень: Глоссарии:

Физические механизмы поглощения и излучения

Напомним отдельные фрагменты из области физической оптики, при этом начнем с механизмов излучения и поглощения вещества. Для отдельных веществ (газы, жидкости, стекла и т. д.) характерно испускание и поглощение энергии излучения всем объемом вещества.

Рис 1. Схема энергетических уровней.

Рассмотрим физический механизм этих процессов на примере излучающего газа, который может состоять из молекул, атомов, ионов и электронов. Энергетические состояния этих частиц различны и обычно описываются с помощью диаграммы (рис. 1). Различают связанное состояние, когда атом не ионизирован и свободное, когда атом распадается на ион и электрон. Нулевой энергетический уровень E₀ соответствует основному состоянию (низшему из всех связанных состояний), а более высоким связанным состояниям соответствуют энергетические уровни Е₁, Е₂ и т. д. Уровень Е_и соответствует энергии ионизации, а выше Е_и - свободным электронам.

Радиационные процессы (поглощение, испускание, рассеивание) удобно описывать с позиции квантовых представлений, где основной минимальной единицей энергии излучения является квант излучения - фотон. Испускание излучения - это процесс испускания фотонов, а поглощение - захват фотона частицей, рассеивание - изменение траектории фотона при прохождении его около частицы. Переход из энергетического состояния, например, Е₃ в состояние Е₂ сопровождается испусканием фотона с частотой ₂₃ и энергией h ₃₂

Е₃ - Е₂ = h

₃₂, где h - постоянная Планка.

Поглощение фотона связано с обратным процессом Е₂ Е₃ .

Итак, переходу между определенными энергетическими уровнями соответствует фиксированная частота и при отсутствии других явлений спектр испускания или поглощения будет иметь линейчатый характер.

Возможны различные типы переходов: связанно- связанные, связанно- свободные, свободно- свободные.

Связанно-связанные переходы отвечают процессу, при котором атом или молекула испускают или поглощают фотон, но не происходит ни ионизации, ни рекомбинации ионов и электронов.

Связанно-свободный переход это процесс, при котором атом поглощает фотон с энергией, достаточной для ионизации. Образуется ион и свободный электрон с любой кинетической энергией. Связанно-свободное излучение образует непрерывный спектр.

Свободно-свободный переход (тормозное излучение) возникает в ионизированном газе: электрон проходит вблизи иона и взаимодействует с его электрическим полем. Электрон может поглотить фотон или испускать фотон, при этом его кинетическая энергия увеличивается или уменьшается. Спектры испускания и поглощения будут непрерывными.

Рассмотрим понятие вынужденного или стимулированного излучения. Пусть атом находится в возбужденном состоянии и может испустить фотоны. Если этот атом поместить в поле внешнего излучения, которое уже содержит фотоны с такой энергией, то вероятность излучения фотона увеличивается - это вынужденное излучение. Излученный и внешний фотоны находятся в одной фазе, и их траектории совпадают.

Предлагаем читателям так же ознакомится с математической моделью работы лазера.