Рис |
Я 0 |
Ррчпилис между звуковой и спиновой волнами. Звуковая энергия опреде- |
||
г |
. |
поглощается веществом, когда в нем распространяется |
||
ленной частоты интенсивно поглои*» |
г |
у у |
||
спиновая волна такой же частоты: ^ магнетон
щуюся энергию спиновой волны для усиления звуковой волны сжатия.
9. ЭНЕРГИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
Одним из следствий перемещения частиц между различными уровнями потенциальной энергии молекул является испускание веществами электромагнитного излучения. Частота излучения, испускаемого при переходе частиц с более высоких квантовых уровней энергии на более низкие уровни, определяется соот
ношением Эйнштейна.
Электромагнитное излучение содержит электрическую и маг нитную составляющие, которые в процессе распространения излучения взаимно поддерживают одна другую благодаря вза имодействию между осциллирующими электрическим и магнит ным полями.
Основные характеристики электромагнитного излучения — это его частота, фаза, направление распространения и направ ление поляризации. Плоскость, в которой происходят колебания электрической составляющей электромагнитного поля, назовем
плоскостью поляризации.
Рисунок 9.1, на котором изображена только электрическая составляющая поля, иллюстрирует распространение энергии из лучения в «чистом виде». Здесь монохроматическое (имеющее одну постоянную частоту) излучение распространяется синфазно, так что плоскость поляризации для каждого фотона параллельна плоскости поляризации для всех других фотонов. Такое излучение, характеризующееся когерентностью по частоте,
Рис. 9.1. Когерентное излучение характеризуется когерентностью по частоте, по фазе, по направ лению распространения и по на правлению поляризации
когерентностью по фазе, когерентностью по направлению рас пространения и когерентностью по направлению поляризации, называется когерентным излучением.
Возвращаясь к месту возникновения такого когерентного излучения, следует отметить, что допустимые движения частиц осуществляются только между двумя энергетическими состоя ниями (уровнями энергии), причем эти движения должны быть синхронизированы в пространстве и во времени; иными словами, все частицы должны перемещаться на одно и то же «расстояние» (в энергетическом смысле), в одном и том же направлении и в одно и то же время.
Источник энергии излучения, обеспечивающий полную коге рентность, называется лазером. Генерация лазерного излуче ния происходит лишь при весьма специфических условиях. Обычно излучение бывает полихроматическим и не когерентным ни по фазе, ни по направлению поляризации вследствие того, что молекулы всех веществ обладают многими энергетическими уровнями, тепловая активность и движения частиц имеют случай ный характер во времени и в пространстве, а форма атомных орбит является более или менее сферической.
При некоторых условиях на когерентность поляризации могут оказать влияние периодичность кристаллической структуры, упорядочение ориентаций электрических диполей в электрических полях и упорядочение ориентаций магнетонов в магнитных полях. Однако абсолютное согласование излучения по частоте и фазе может быть достигнуто только при действии лазера, которое можно обеспечить при помощи источников любого типа с тепло вым возбуждением.
9.1. ВОЗМОЖНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
Магнитные поля не оказывают прямого влияния на электро магнитное излучение, но они влияют на структуру вещества. Поскольку именно структура вещества определяет характер
122
электромагнитного излучения, можно наблюдать различные эф фекты, связанные со свойствами электромагнитного излучения в присутствии внешнего магнитного поля.
Ниже указаны физические процессы и соотношения между веществом и энергией излучения, которые в принципе могут зависеть от магнитных полей.
1.Энергия излучения выделяется всеми веществами при температурах выше абсолютного нуля.
2.Излучение может быть поляризованным или неполяризованным.
3.Излучение в определенной степени отражается от по
верхностей объекта, поглощается его молекулярной структурой и пропускается через него, из какого бы вещества ни состоял объект.
4.Энергия излучения, поглощенная веществом, может ис пускаться вторично с исходной частотой или на более низких частотах.
5.Излучение, отраженное от поверхности вещества, может
стать поляризованным; если же оно уже было поляризовано, то в результате отражения может измениться угол поляризации.
6.Излучение может быть дифрагировано с использованием
вкачестве дифракционной решетки тонкой пленки с периоди ческой молекулярной структурой.
7.Излучение, прошедшее через вещество, может испытать преломление.
8.Излучение, прошедшее через вещество, может испытать
двойное или даже тройное преломление.
9. Излучение, прошедшее через вещество, может стать поля ризованным; если же оно уже было поляризовано, то в резуль тате пропускания может измениться угол поляризации.
I. 0. Скорость распространения энергии излучения в некоторых веществах зависит от угла поляризации.
II. Взаимодействие излучения с веществом зависит от соот ношения между длиной волны излучения и размерами тонкой пленки или же периодичностью кристаллической структуры.
12.Взаимодействие двух идентичных волн излучения может привести либо к их усилению, либо к ослаблению. Если две идентичные волны сдвинуты одна относительно другой по фазе на 180°, то их действие полностью взаимно уничтожается.
13.Луч — это прямолинейная траектория в однородной сре
де, вдоль которой распространяется электромагнитная энер гия. Хотя направления лучей почти всегда распределены слу чайно, возможны и такие условия, когда их направления парал лельны. Явление образования параллельных лучей называют
коллимацией.
14. Пучком называется совокупность многих лучей, имею щих приблизительно одно и то же направление. В случае кол-
лимированного пучка все лучи направлены параллельно. При взаимодействии пучка с неоднородными средами он может быть полностью разрушен вследствие рассеяния составляющих его лучей.
Все вышеуказанные явления происходят в результате взаи модействия энергии излучения с веществом, зависящего как от расположения молекул в веществе, так и от активности самих этих молекул. Поскольку магнитные поля могут в принципе влиять и на расположение, и на активность молекул, эти поля соответственно оказывают влияние и на перечисленные выше физические процессы и явления.
9.2. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
Различные соотношения между частицами атома определяют ся их энергетическими состояниями, соответствующими квантам потенциальной энергии. Частица, находящаяся в каком-либо из этих состояний, может быть описана при помощи параметров, отражающих характерное количество, или уровень, энергии. Если условия изменяются в результате перемещения частицы с одного из разрешенных уровней потенциальной энергии на другой, то энергия либо излучается, либо поглощается в форме электро магнитного фотона с определенной частотой. Вещества, которые испускают фотоны не под влиянием высокой температуры, а под влиянием иных факторов, называются люминесцентными.
Частота фотона определяется разностью уровней энергии, соответствующей изменению состояния частицы. Поскольку раз ности энергии — квантовые величины, такими же являются и частоты фотонов. В основе представления о так называемой «корпускулярной» природе фотона, введенного несколько лет тому назад, лежит тот факт, что каждое изменение уровня энергии отражает отдельное «событие», происходящее за весьма короткий промежуток времени. Событие такого типа характерно также для эффекта Гейгера, когда испускается импульс света в момент прекращения движения быстрой элементарной час тицы при ее столкновении с какой-либо молекулярной струк турой. Каждый такой импульс связан с одиночным столкнове нием как с элементарным событием.
Непрерывное электромагнитное излучение с одной постоянной частотой формируется из очень большого числа идентичных событий, происходящих на протяжении некоторого длительного промежутка времени. Количество лучистой энергии определяется как числом фотонов, появляющихся в этом интервале времени,
так и частотами |
фотонов. |
|
|
||
В |
отдельном |
атоме |
электроны вращаются вокруг ядра по |
||
одной |
или нескольким |
фиксированным орбитам. |
Число |
орбит |
|
и их энергия являются |
характерными свойствами |
атомов |
каж |
||
дого типа. Единственно возможное изменение соотношения между ядром и электроном — это переход электрона с одной орбиты на другую. Фотоны, возникающие при таких переходах, могут иметь только частоты, которые соответствуют разности энергий двух орбит, между которыми осуществляется переход электрона. Вследствие этого отдельный атом может излучать электромагнитную энергию лишь на нескольких фиксированных частотах. Такие частоты находят отражение в виде дискретных линий рефракционного или дифракционного спектра.
Если имеется одноатомный газ при низком давлении, то частоты излучения отдельных атомов остаются неизменными. Нагретый или возбужденный каким-либо иным способом одно атомный газ излучает электромагнитную энергию на тех же частотах, которые характерны для отдельных его атомов. При повышении давления газа возникает взаимодействие между со седними атомами, и спектральные линии уширяются. Расширен ные спектральные линии говорят о том, что при тесном сбли жении двух или большего числа атомов энергия каждой орбиты несколько изменилась.
При объединении атомов в молекулы соотношения между орбитальными электронами и различными атомными ядрами становятся намного более сложными. Число допустимых энер гетических уровней значительно возрастает по сравнению с таковым для отдельных атомов. В результате этого молекуляр ные газы испускают электромагнитную энергию на значительно большем числе частот, чем одноатомные газы. Однако для молекулярных газов число частот излучения также конечно, и расположение соответствующих линий на рефракционных и дифракционных спектрах является по-прежнему характерным для молекул конкретного типа, составляющих данный газ.
Если молекулы объединены в структуры, которые представ ляют собой кристаллические твердые тела, то возникает такое большое число возможных энергетических уровней, что спектры излучения из дискретных превращаются в более или менее не прерывные, занимающие определенные частотные полосы. Если эти полосы перекрываются, как это бывает у металлов, то энер гия излучения распределена по частотам непрерывно на протя жении широкого спектрального диапазона. В случае изоляторов частотные полосы не пересекаются и энергия излучения сосре доточена в более узких частотных интервалах, разделенных промежутками, в пределах которых излучение отсутствует.
Когда несколько ядер объединены в молекулы или в более сложные кристаллические структуры, возможны некоторые сме щения одного ядра относительно других. Ядро может колебаться в пределах, определяемых его химическими связями, асиммет ричная молекула может вращаться в зависимости от ее хими ческих связей. Эти движения создают дополнительные кван