Атомное поглощение характеризуется экспоненциальным законом убывания интенсивности проходящего света J в зависимости от длины слоя l, аналогичным закону Ламберта в молекулярной спектроскопии:
J=J (3)
Здесь J — интенсивность падающего пучка света, kv — коэффициент поглощения света, зависящий от частоты . Коэффициент поглощения является основной характеристикой, описывающей свойства линий поглощения, подобно понятию интенсивности в эмиссионной спектроскопии. Законы распределения коэффициента поглощения по контуру линий поглощения аналогичны законам распределения интенсивности по контуру линий испускания.
При практических измерениях удобно также применять величину оптической плотности D, которая определяется как
D= (4)
Учитывая (2), имеем:
D=l lg(e) 0.4343l (5)
откуда следует, что оптическая плотность прямо пропорциональна коэффициенту поглощения.
Атомное поглощение соответствует переходам атомов из более низких в более высокие энергетические состояния. Поэтому естественно, что величина поглощения зависит от заселенности нижнего уровня, соответствующего наблюдаемой линии.
Заселенность возбужденных уровней незначительна по сравнению с нижним уровнем. Поэтому наибольшее поглощение наблюдается для линий, соответствующих поглощательным переходам с нижнего невозбужденного уровня. Эти линии в атомно-абсорбционном анализе называют резонансными.
1.3. КОНТУР ЛИНИИ ПОГЛОЩЕНИЯ
Линии поглощения, как и линии испускания, представляют собой не монохроматические, бесконечно тонкие линии, а имеют определенную конечную ширину. Под полушириной линии поглощения подразумевается ширина контура в том месте, где коэффициент поглощения kv уменьшается вдвое. Полуширину линии удобно выражать не в единицах длин волн, а в частотах поскольку полуширина, выраженная в этих единицах, описывает свойства линии поглощения независимо от ее длины волны.
|
|
Рис 1 контур линии.
Легко установить связь между полушириной, выраженной в частотах.
(сек)= (6)
(см)=
где с — скорость света.
Форма контура линий определяется суммарным действием следующих факторов:
1) естественное уширение;
2) допплеровское уширение;
3) лорентцевское уширение.
Другие возможные причины уширения спектральных линий, связанные, например, с взаимодействием атомов с электрически заряженными частицами или друг с другом, не существенны для наиболее распространенных способов получения поглощающих слоев. Поэтому рассмотрим только указанных выше уширения.
1)Естественное уширение линий связано, с точки зрения квантовой электродинамики, со степенью расширения уровней. Расширение является результатом конечного времени жизни () уровней, между которыми происходит переход. Нормальный уровень стабилен (= ), поэтому для резонансных переходов существенна только ширина верхнего уровня. Итак
= (7)
Контур линии, обусловленный естественным уширением, имеет дисперсионную форму, описываемую выражением
= (8)
Где k0 –коэффициент поглощения в центре линии.
2)Допплеровское уширение линий связано с беспорядочным тепловым движением атомов относительно наблюдателя. В результате движения атома со скоростью, проекция которой на направление наблюдения равна vx, частота поглощения атомом представляется наблюдателю смещенной на
= (9)
где -скорость движения частицы.
Если движение атомов в поглощающей ячейке подчиняется распределению Максвелла, которое всегда справедливо для термодинамических равновесных систем, то распределение коэффициента поглощения kv определяется выражение
= (10)
где А—атомный вес, R — газовая постоянная, Т — температура, ko(D) — коэффициент поглощения в центре линии. Величина ko(D) определяется формулой
= (11)
здесь f — сила осциллятора, N—концентрация атомов.
Допплеровская полуширина линии:
= (12)
или после подстановки постоянных,
=0.716*10 (13)
3)лорентцевское уширение. Впервые ударный механизм уширения был рассмотрен Лорентцем в 1905 г. Согласно Лорентцу излучение атома рассматривалось как гармоническое колебание внутриатомного электрона. В момент столкновения атома с посторонней частицей колебание обрывалось, а после столкновения возобновлялось с той же самой частотой. Таким образом, колебания представлялись в виде отрезков синусоиды со случайным распределением фаз в отдельных отрезках.
Контур линии, обусловленный лорентцевским эффектом, имеет такой же вид, как и при естественном уширении линии:
= (14)
здесь —коэффициент поглощения в центре линии,
= (15)
лорентцевская полуширина линии, которая в свою очередь зависит от условий опыта согласно выражению
=2*6,02*10P (16)
σ— эффективное сечение для уширяющего столкновения между атомом и молекулой, где Р — давление газа, А — атомный вес атомов, М — молекулярный вес газа;
Согласно современным представлениям, взаимодействие между частицами ведет не к обрыву, а лишь к изменению фазы колебаний. В расчет принимаются все изменения фазы, вызванные как близкими, так и дальними пролетам взаимодействующих частиц. Последнее обстоятельство позволило объяснить сдвиг линий относительно первоначальной частоты v0 на величину vs.
1.4 СВЯЗЬ МЕЖДУ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПОГЛОЩЕНИЯ В ЦЕНТРЕ ДОПЛЕРОВСКОЙ ЛИНИИ (k) И КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ПОГЛОЩАЮЩИХ АТОМОВ ( ИЛИ ДАВЛЕНИЕМ ПАРА P)
Коэффициент поглощения в центре доплеровской линии и концентрация поглощающих атомов связаны соотношением:
= (17)
то с учётом применимости основного уравнения идеального газа к насыщенному пару при давлениях ниже атмосферных в виде:
P=kT (18)
Находим связь между давлением пара и коэффициентом поглощения в центре доплеровской линии:
(19)
Где μ - молекулярный вес, R-универсальная газовая постоянная, T- температура поглощающего слоя газа, ν – частота на которую приходится центр линии, f-сила осциллятора.
Вычисление концентрации поглощающих атомов экспериментально:
(20)
D-оптическая плотность
(21)
Коэффициент поглощения
(22)
Теоретически:
(23)
Где λ - длина свободного пробега, d-расстояние между электродами, φ - потенциал ионизации.
(24)
Где d – диаметр молекулы NE.
(25)
A-атомный вес, S- площадь сечения, М- молярный вес
ГЛАВА 2
ЛАЗЕРЫ
2.1 ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРА
У истоков глобальных перемен стояли выдающиеся физики XX века Николай Геннадьевич Басов, Александр Михайлович Прохоров и американец Чарлз Хард Таунс.В 1964 году все трое получили Нобелевскую премию "за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на принципе лазера-мазера".
Принцип работы лазера:
Рассмотрим схему энергетических уровней некоторого атома (рис.1).
Зная, что, если атому, находящемуся на основном уровне W1, сообщить энергию, то он может перейти на один из возбужденных уровней (рис.2а). Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней, излучив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (рис.2б). Если излучение света происходит при переходе атома с уровня энергии Wm на уровень энергии Wn, то частота излучаемого (или поглощаемого) света νmn = (Wm - Wn)/h.
Именно такие спонтанные процессы излучения происходят в нагретых телах и светящихся газах. Нагревание или электрический разряд переводят часть атомов в возбужденное состояние; переходя в нижние состояния, они излучают свет. В процессе спонтанных переходов атомы излучают свет независимо один от другого. Кванты света хаотически испускаются атомами в виде волновых цугов. Цуги не согласованы друг с другом во времени, т.е. имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.
