ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Классическая теория излучения И поглощения из "Основы оптики " По классической электромагнитной теории простейшей системой, которая может излучать электромагнитные волны, является электрический диполь, диполь-ный момент которого р = не постоянен во времени. На практике изменение дипольного момента может быть вызвано как изменением заряда д, что характерно для антенн радиодиапазона, так и изменением эффективного размера диполя (1 в классической модели атома. Процесс может развиваться в две стороны исходно возбужденный диполь может генерировать электромагнитную волну (излучение света), или диполь в невозбужденном состоянии способен резонансно поглощать внешнюю энергию высокочастотных электромагнитных волн (поглощение света). [c.214] Во-вторых, имеется зависимость интенсивности излучения от направления 1-1 sin p, что иллюстрирует рис. 13.2. Максимальная интенсивность наблюдается в экваториальной плоскости при Р = 7г/2, а вдоль своей оси диполь не излучает. Эти зависимости играют важную роль в теории рассеяния света, обсуждаемой ниже. [c.215] В этом случае распределение энергии по частотам /(со) соответствует лоренцевскому контуру (рис. 13.3), ширина которого на половине высоты определяется коэффициентом затухания у. Эта величина называется естественной шириной спектральной линии. [c.215] Для излучателя оптического диапазона (X = 0,6 мкм, озд = 3 10 с ) естественная ишрина линии имеет порядок 10 а добротность атомного осциллятора (2= (о)о/у) 10 . Атомарный осциллятор с такой естественной шириной является высокодобротной системой, превосходящей по значению 2 любые устройства радиодиапазона. Излучение спектральной линии можно считать квазимонохроматическим, поскольку отнотттрнир КХ/Х не превосходит 10 . [c.216] Переменные самой функции и ее спектра (в данном случае — время и частота) являются сопряженными, поэтому для произведения времени затухания т и ширины спектра Асо выполняется универсальное ограничение т Асо 2я. Таким образом, амплитуда колебаний уменьшается вдвое за несколько миллионов периодов. Можно считать, что излучение отдельного атома представляет собой волновой цуг конечной длительности т - 10 с и протяженностью / = с т 3 м. Последняя оценка соответствует длине когерентности в условиях генерации излучения одной спектральной линии естественной ширимы и свободного затухания атомного осциллятора. [c.216] Соотношение между шириной спектра и резонансной частотой Асо соо определяет условие квазимонохроматичности света (для монохроматического света считают Асо = 0). [c.216] Ширина линии излучения реальных источников света обусловлена не только радиационным затуханием, по и рядом других физических эффектов. Один из них — столкновения излучающих атомов с окружающими их атомами и молекулами. При таких столкновениях может произойти обрыв излучаемого волнового цуга или скачок фазы излучения. И в том и в другом случае эффективная длительность цуга т уменьшается и, соогветственрю, возрастает ширина спектра (рис. 13.4). [c.216] При фиксированных давлении и температуре время т статистически одинаково для всех атомарных излучателей. [c.217] Расчеты показывают, что при давлении порядка 10 мм рт. ст. столкновительное уширение в несколько раз препып1ает естественную ширину линии. Проводя измерения ширины линии при различных давлениях (рис. 13.5) и экстраполируя результаты к нулевому давлению, можно определить естественную ширину, а из наклона — сечение столкновений. [c.217] Другая причина уширения спектральных линий — эффект Доплера. Как известно, этот эффект заключается в сдвиге наблю даемой частоты излучения при движении источника (атома) относительно неподвижного фотоприемника (рис. 13.6). [c.217] Как видно, доплеровское уширение растет с ростом температуры газа и с увеличением частоты (уменьшением длины волны) спектральной линии. Для видимого диапазона и температур Т 300 К, 10 с Таким образом, при рассматриваемых условиях доплеровская ширина примерно на два порядка превышает естественную и столкновительную. Именно вследствие донлеровского уширения эффективная длительность волнового цуга, а следовательно, и время когерентности (см. главу 5) составляют всего - 10 с. [c.218] Отметим принципиальное различие между радиационным и столкновитель-ным уширениями, с одной стороны, и доплеровским уширением, с другой. Вследствие затухания колебаний или влияния столкновений каждый атом излучает цуг волн конечной длительности, поэтому излучению атома соответствует весь профиль спектральной линии. Такой тип уширения называется однородным. В случае донлеровского уширения излучению разных атомов соответствуют различные частоты из общего широкого спектра. Этот тип уширения называется неоднородным. Однородное столкновительное уширение сохраняет лоренцевскую форму спектральной линии, а неоднородное доплеровское ее изменяет, формируя гауссовский профиль линии излучения ансамбля хаотически движущихся атомов. [c.218] Понятия естественной ширины линии, столкновительного и доплеровского уширения относятся, как уже указывалось, к изл) ению изолироваииых атомов. Это приближение хорошо выполняется только для газообразного состояния вещества. Именно для газов спектры имеют линейчатый характер (рис. 13.8). [c.218] Перо позволяет увидеть дублетную структуру одной из линий (рис. 13.9, б). Однако на самом деле эта линия состоит не из двух, а из семи компонент. Дальнейшее увеличение разрешения спектрографа не имеет практического смысла, так как эти компоненты все равно будут перекрываться из-за доплеровского уширения. Поэтому возникает задача спектроско-пШу свободной от доплеровского уширения, то есть выработки методов, позволяющих довести спектральное разрешение до величины порядка естественной ширины. [c.219] Экспериментальный спектр, полученный с помощью субдоплеровской спектроскопии, показан на рис. 13.9, в. Хорошо видны все спектральные компоненты. [c.220] Напомним некоторые важные соотношения между физическими параметрами, характеризующими электрические свойства сред. Как известно, связь между индукцией и напряженностью электрического поля может быть записана двояко. Относительная диэлектрическая проницаемость е показывает, во сколько раз изменяется поле при попадании в среду В =БобЕ. С другой стороны, поляризация среды описывает аддитивную добавку к внешнему полю В = ЕдЕ + Р. В приближении линейной теории поляризация пропорциональна напряженности поля Р = еоХЕ, где X диэлектрическая восприимчивость. Отсюда находим, что диэлектрическая проницаемость и восприимчивость связаны соотношением е = 1 + %. В свою очередь, диэлектрическая проницаемость определяет показатель преломления среды п = . Таким образом, определив частотную зависимость х легко найти также зависимости е (со) и п (со), то есть закон дисперсии. [c.220] Обе части не являются независимыми. Они связаны некоторыми общими интегральными соотношениями, именуемыми соотношениями Крамерса—Кронига. Это указывает на глубокую взаимосвязь, казалось бы, далеких друг от друга эффектов преломления и поглощения. [c.221] Наряду со спектрами испускания, о которых шла речь выше, существуют также спектры поглощения. Как правило, спектры поглощения и испускания являются дополнительными вещество в холодном состоянии поглощает там же, где оно светится при возбуждении (рис. 13.11). [c.221] Исключения, например, когда в спектре испус кания присутствуют линии, отсутствующие в спектре поглощении, объясняются в рамках квантовой механики. Наиболее ярким примером спектра поглощения являются фраунгоферовы линии — темные полосы на фоне непрерывного солнечного спектра. Их возникновение обусловлено газами, составляющими корону Солнца (см. рис. 13.8). [c.221] Вернуться к основной статье