Люмінесценція
2-й семестр
АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА
УРОК 4/81
Тема. Люмінесценція
Мета уроку: пояснити явище люмінесценції на основі квантових уявлень про світло.
Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.
ПЛАН УРОКУ
Контроль знань | 4 хв. | 1. Ядерна модель атома. 2. Квантові постулати Бора. 3. Лінійчасті й молекулярні спектри. |
Демонстрації | 6 хв. | Відео-фрагменти фільму “Люмінесценція”. |
Вивчення нового матеріалу | 25 | 1. Люмінесценція. 2. Мимовільне й вимушене випромінювання. 3. Квантові генератори. |
Закріплення вивченого матеріалу | 10 хв. | 1. Якісні питання. 2. Навчаємося розв’язувати задачі. |
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Люмінесценція
Одним із прикладів явищ, які можна пояснити на підставі квантових уявлень про світло, є люмінесценція. Так називають випромінювання речовини (тривалість світіння повинна бути не менше 10-10 с), відмінне від теплового випромінювання. Люмінесценцію називають також “холодним світінням”.
Деякі форми природної люмінесценції
Якщо система має дискретні енергетичні рівні, то для виникнення випромінювання вона повинна спочатку перейти в збуджений стан, тобто одержати додаткову енергію. Цей процес може відбуватися по-різному: внаслідок поглинання зовнішнього випромінювання (фотолюмінесценція); хімічних реакцій (хемілюмінесценція); “бомбардування” речовини швидкими електронами (катодолюмінісценція); протікання електричного струму (електролюмінесценція).
Люмінесценція спостерігається в діапазонах видимого світла, інфрачервоного й ультрафіолетового випромінювань і навіть у рентгенівському діапазоні.
Люмінесценція, по суті, процес виділення отриманої речовиною попередньо під час переходу в нерівноважний стан надлишкової енергії. У разі порушення люмінесценції атом, поглинаючи енергію, переходить із основного рівня енергії на збуджений рівень. Якщо під час люмінесценції відбувається зворотний перехід зі збудженого стану в основний, частоти люмінесценції й збудливого світла збігаються.
Під час взаємодії з навколишніми атомами збуджений атом може передати їм частину енергії й перейти на проміжний рівень, протягом випромінювального переходу з якого відбувається люмінесценція, названа спонтанною. Такі переходи відбуваються мимовільно. Під час спонтанних переходів випущення фотонів не залежить від зовнішніх впливів на систему, тому спонтанне випромінювання є некогерентним. Під дією зовнішнього електромагнітного поля певної частоти можуть відбуватися квантові переходи, що відповідають частоті збудливого випромінювання. Це вимушене або стимульоване випромінювання, що є когерентним.
Люмінесценція здобула широкого застосування в техніці. Наприклад, завдяки катодолюмінісценції світяться екрани електронно-променевих трубок, екрани осцилографів, локаторів, виникає світіння трубок з розрідженим газом. Енергозберігаючі лампи теж являють приклад використання люмінесценції. Спектральний аналіз люмінесценції є методом дослідження напівпровідників і діелектриків. Характер спектра випромінювання кристалів залежить від дуже багатьох факторів, від типу й концентрації дефектів, температури, рівня збудження, наявності деформацій, електричних і магнітних полів. Все це дозволяє використовувати спектральний аналіз люмінесценції як метод дослідження кристалів.
Напівпровідникові світло-діоди засновані на явищі електролюмінесценції, у рентгеноскопії використано рентгенолюмінісценцію. У сцинтиляційних детекторах використовують радіолюмінісценцію – світіння сцинтиляторів під впливом радіаційного опромінення, і т. ін.
2. Мимовільне й вимушене випромінювання
У збудженому стані атом може перебувати лише протягом дуже малого проміжку часу, після чого мимовільно (спонтанно) переходить в основний стан, випромінюючи при цьому квант світла. Це випромінювання відбувається за відсутності зовнішнього впливу на атом і обумовлено лише нестійкістю його збудженого стану.
Якщо ніякого впливу на атом не виявляється, то час його перебування в збудженому стані становить близько 10-8 c. Якщо ж атом піддається зовнішньому впливу, то час життя його збудженого стану скорочується й виникає випромінювання, що називають вимушеним, або індукованим, випромінюванням.
Поняття про вимушене випромінювання було уведено 1916 року Альбертом Ейнштейном. Це випромінювання відбувається в результаті впливу на збуджений атом кванта світла, частота якого збігається із частотою його мимовільного випромінювання. Атом при цьому переходить на більш низький енергетичний рівень, і до первинного фотона додається ще один фотон, що нічим не відрізняється від першого.
Таким чином, випромінювання, що падає на атом, “подвоюється”: до атома “приходить” один фотон, а “ідуть” два точно таких самі (тобто їхні частоти й напрямки руху збігаються). Тому в активному середовищі, де багато атомів перебувають у цьому ж збудженому стані, випромінені фотони будуть, у свою чергу, “змушувати” інші атоми випромінювати точно такі фотони. У результаті інтенсивність випромінювання може лавиноподібно збільшуватися. Посилення падаючої хвилі, обумовлене вимушеним випромінюванням, уперше спостерігав дослідним шляхом радянський фізик Валентин Олександрович Фабрикант 1939 року.
3. Квантові генератори
“Запустити” лавину вимушеного випромінювання може фотон, що його спонтанно випроменив який-небудь атом цього ж середовища: цей фотон “змусить” інший атом випроменити такий самий фотон, потім два однакових фотони “змусять” ще два атоми випроменити ще два таких самих фотони й так далі. У результаті (без зовнішнього випромінювання) може розвинутися лавиноподібний процес, що призводить до надзвичайно інтенсивного випромінювання за рахунок “запасу енергії” атомів, що перебувають у метастабільному стані. На цьому заснована дія квантових генераторів, які сьогодні широко використовують у техніці, медицині, побуті, засобах зв’язку.
У Оптичні квантові генератори, випромінювання яких лежить у видимій і інфрачервоній області спектра, називаються лазерами.
За інтенсивністю випромінювання лазери набагато перевершують всі інші види джерел випромінювання.
Під час роботи лазера часто використовують систему трьох енергетичних рівнів атома, з яких верхній рівень – з часом життя порядку 10-7 -10-8 с, середній рівень – метастабільний, з часом життя порядку 10-3 с, а нижній рівень відповідає основному стану атома.
Далі рекомендовано розглянути як приклад принцип дії рубінового лазера.
Лазери відіграють значну роль у сучасному науково-технічному прогресі. Їхнє випромінювання має унікальні й дуже цінні властивості, які забезпечили їм широке застосування в найрізноманітніших галузях науки, техніки, медицини й т. ін. Якість лазерної енергії визначено її високою концентрацією й можливістю передання на значну відстань. Лазерний промінь можна сфокусувати в крихітну цятку діаметром, порівнянним із довжиною світлової хвилі, й одержати густину енергії, що перевищує вже на сьогоднішній день густину енергії ядерного вибуху. За допомогою лазерного випромінювання вже вдалося досягти найвищих значень температури, тиску, магнітної індукції. Нарешті, лазерний промінь є найбільш містким носієм інформації й у цій ролі – принципово новим засобом її передання й обробляння.
За допомогою лазерів удалося створити тривимірні зображення, які називаються голографічними. Розглядаючи голограму під різними кутами, ви можете бачити зображений на ній предмет з різних сторін: наприклад, на голограмі (на відміну від фотографії) можна “зазирати” за предмети, розташовані на передньому плані.
Принцип дії лазера використовують також під час створення еталонів часу, тобто найбільш точних годинників: похибка ходу таких годинників – не більше однієї секунди за 30 000 років.
ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
1. Які перетворення енергії відбуваються під час фотолюмінесценції? катодолюмінісценції?
2. Чим відрізняється випромінювання лазера від випромінювання лампи накалювання?
3. Назвіть принципові відмінності лазерного випромінювання від випромінювання лампи накалювання.
4. Охарактеризуйте основні особливості лазерного випромінювання.
5. Як використовують лазери в різних галузях науки, техніки й медицини?
ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
Якісні питання
1. За якої умови світло під час проходження через речовину може посилюватися?
2. Які перетворення енергії відбуваються під час роботи енергозберігаючої лампи?
3. Атоми Хрому в рубіновому лазері утворюють як мимовільне, так і вимушене випромінювання. Які характеристики цих випромінювань збігаються, а які – ні?
4. Чим відрізняється метастабільний стан від стабільного?
5. Яку роль у роботі лазера відіграють метастабільні рівні атомів?
ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ
– Люмінесценція – нетеплове світіння речовини, що відбувається після поглинання нею енергії збудження.
– Оптичні квантові генератори, випромінювання яких лежить у видимій та інфрачервоній області спектра, називаються лазерами.
Домашнє завдання
1. Підр-1: § 52; підр-2: § 26 (п. 1, 2, 3)
2. Зб.: № 16.13; 16.14; 16.15.
3. Д: підготуватися до самостійної роботи № 13.
ЗАВДАННЯ ІЗ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ № 13 “БУДОВА АТОМА. ПОСТУЛАТИ БОРА. АТОМНІ СПЕКТРИ”
Завдання 1 (1,5 бала)
Лінійчастий спектр спостерігається під час світіння…:
А…розпеченої речовини.
Б…хімічно чистої речовини.
В…речовини в газоподібному атомарному стані.
Г…речовини в газоподібному стані під більшим тиском.
Завдання 2 (2,5 бала)
На рисунку показані чотири нижніх енергетичних рівні деякого атома. Стрілки відповідають переходам між рівнями; vі – частота фотона, випроміненого або поглинутого під час переходу.
А Під час переходу 1 відбувається випромінювання фотона.
Б Під час переходу 3 відбувається поглинання фотона.
В Частота v3 – найбільша із усіх частот vt.
Г Виконується співвідношення v4 = v2 + v5 + v6.
Завдання 3 (3 бали)
Завдання 3 має на меті встановити відповідність (логічна пара). До кожного рядка, позначеного буквою, підберіть твердження, позначене цифрою.
А Модель атома Дж. Томсона.
Б Модель атома Резерфорда.
В Недоліки планетарної моделі атомів.
Г Наслідку постулатів Бора.
1 Не можна було пояснити стабільність атомів і подібність різних атомів того самого хімічного елемента.
2 Дозволили пояснити стабільність атомів і подібність різних атомів того самого хімічного елемента.
3 У центрі атома перебуває ядро, що складається із протонів і нейтронів, а навколо ядра рухаються електрони.
4 Атоми являють собою однорідні кулі з позитивно зарядженої речовини, у якій перебувають електрони.
5 У нормальному стані атом має мінімальну енергію, а під час іонізації – максимум енергії, що дорівнює нулю.
Завдання 4 (5 балів)
На скільки змінилася енергія електрона в атомі Гідрогену під час випромінювання атомом фотона довжиною хвилі 486 нм?
