Тиск світла. Хімічна дія світла

⇐ ПредыдущаяСтр 24 из 25Следующая ⇒

Під дією електромагнітного випромінювання можуть відбуватися процеси, які викликають зміни властивостей речовин. Наприклад, багато органічних і неорганічних речовин під впливом світла змінюють свій колір, виявляючи фотохромізм. Це пояснюють тим, що, поглинувши квант світла, речовина переходить у новий стан, який характеризується іншим спектром поглинання або перебудовою валентних зв'язків у процесі фотодисоціації чи фотохімічної реакції.

Ґрунтуючись на квантовій гіпотезі світла, А. Ейнштейн сформулював два фотохімічні закони:

1) поглинутий речовиною фотон може викликати перетворення лише однієї молекули;
2) фотохімічна реакція відбувається за умови, що енергія фотона достатня для розриву молекулярних зв'язків, тобто не менша за енергію дисоціації.

Як відомо, хімічна дія світла є основою життя на Землі. Завдяки реакції фотосинтезу вуглеводів енергія сонячного проміння, яку несуть фотони, перетворюється на енергію життєдіяльності органічного світу, необхідну для поповнення його запасів. Цей процес досить складний і супроводжується численними вторинними біохімічними реакціями. Проте спрощено його фізичну суть можна подати так. Внаслідок поглинання фотонів зеленим листям молекула хлорофілу активізується, реагуючи з молекулою води, розкладає її на йони Гідрогену і кисень:

_світло

2H₂0 ———→ 2H⁺ + 2e^- + 2O₂ + H₂O.

^{фермент}

Реакція фотосинтезу вуглеводів відбувається під дією червоного проміння

Під дією світла бромід срібла розпадається на енергетично збуджений атом Аргентуму Ад* і позитивний іон Брому Вг+:

AgBr + hv = Ag* + Br* + e^-

Врешті-решт кисень потрапляє в атмосферу, а Гідроген, вступаючи в реакцію з вуглекислим газом, утворює вуглеводи, завдяки яким формуються жири, білки та інші складові органічного світу, необхідні для життєвих циклів живої природи.

Властивість речовин реагувати на опромінення світлом покладено в основу виготовлення фотохромних матеріалів, які застосовують для реєстрування зображень, запису й обробки оптичних сигналів. Останнім часом широкого поширення набули полімерні матеріали і фотохромні світлочутливі плівки, що містять галогеніди Аргентуму (AgBr, AgCl), лужних металів (КСl, NaF) тощо. Зокрема, їх використовують в елементах оперативної пам'яті ЕОМ, для кольорового друку і фотографії, запису інформації на оптичних дисках тощо.

Поняття про курпоскулярно-хвильову теорію

У різні часи, пояснюючи природу світла, учені дотримувалися різних поглядів. Одні вважали світло електромагнітною хвилею й обгрунтовано доводили це, посилаючись на явища інтерференції, дифракції і поляризація світла. Інші, прихильники корпускулярної теорії, уявляли світло як потік частинок і також мали вагомі аргументи на підтвердження цього. Так, на підставі корпускулярних уявлень І. Ньютон пояснював прямолінійне поширення і дисперсію світла.

Водночас наприкінці ХIХ ст. завдяки дослідженням Т. Юнга і О. Ж. Френеля, а також поясненню природи світла за допомогою електромагнітної теорії Дж. Максвелла у фізиці склалося переконання, що хвильова теорія спроможна пояснити будь-яке світлове явище. Тому, коли А. Ейнштейн поширив ідею квантування енергії, висловлену М. Планком стосовно теплового випромінювання, на світлові явища, це було сприйнято неоднозначно.

На той час обмежений характер хвильової теорії світла підтверджували також досліди Г. Герца і результати вивчення явища фотоефекту А. Г. Столєтовим. Пізніше, у 1922 р. квантова природа світлового випромінювання була експериментально доведена А. Комптоном під час спостереження розсіювання рентгенівського випромінювання в речовині.

Отже, численні дослідження світлових явищ демонструють неоднозначний прояв властивостей світла: в одних випадках вони засвідчують хвильову природу світла, в інших — виразніше проявляється його корпускулярна придода. Тобто світлу властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм. — воно має як безперервні, хвильові-властивості, так і дискретні, корпускулярні.

У класичній фізиці існували два погляди на природу світла — хвильовий і корпускулярний

Ідею квантування енергії, висловлену М. Планком, А. Ейнштейн поширив на світлові явища

Гіпотезу про подвійну природу світла — корпускулярно-хвильовий дуалізм — уперше висловив А. Ейнштейн

Загалом корпускулярно-хвильовий дуалізм властивий не лише світлу, а й усім мікрочастинкам. Так, потік електронів, шо падає на кристал, утворює дифракційну картину, яку можна пояснити лише на основі хвильових уявлень. Тобто електрони, які є елементарними частинками, корпускулами, за певних умов виявляють хвильові властивості. Такі уявлення про матерію покладено в основу квантової теорії. Вона, зокрема, передбачає, що кожній рухомій мікрочастинці, відповідає хвиля де Бройля:

де р — імпульс тіла; h — стала Планка.

Корпускулярну природу світла в сучасній фізиці відтворює поняття світлового кванта, зміст якого окреслив А. Ейнштейн, поширивши гіпотезу Планка на світлове випро-мінювання. За його тлумаченням, світловий квант — це мінімальна порція світлової енергії, локалізована в частинці, яка названа фотоном. Отже, світло з погляду квантової теорії — це потік світлових квантів — фотонів, що рухаються зі швидкістю світла с(3 · 10⁸ ^м_с).

Фотону як кванту випромінювання за гіпотезою Планка відповідає енергія є = hv. Як елементарна частинка він має імпульс р = mс. З урахуванням формули взаємозв'язку маси та енергії є = mс², його імпульс дорівнює:

де / — довжина світлової хвилі.

Довжина хвилі де Бройля електрона, що рухається зі швидкістю
500 ^м_с, дорівнює = 1,5 • 10^-6 м = 1,5 мкм

Фотон — це елементарна частинка, що характеризує квант світла hv

Фотон — особлива елементарна частинка. Він не має маси спокою (m_o= 0), тобто його не можна зупинити. Справді, якби була така система відліку, в якій він не рухався б, то в такій системі втрачає сенс саме поняття світла, адже не відбувається його поширення.

Маса фотона залежить від довжини хилі електромагнітного випромінювання: . Так, для видимого світла _с = 6 · 10^-7 м) його маса дорівнює 3,7 · 10^-36 кг, а для рентгенівського випромінювання _р = 10^-9 м) — 2,2 · 10^-33 кг.

Формула (6.2) відтворює наявність у світла одночасно і хвильових, і корпускулярних властивостей. Адже імпульс фотона як динамічний параметр мікрочастинки речовини виражається через частоту або довжину хвилі — величини, властиві випромінюванню. Як з'ясувалося згодом, такий корпускулярно-хвильовий дуалізм притаманний усім без винятку частинкам речовини, але найістотніше їхні хвильові властивості проявляються у мікросвіті, особливо в елементарних частинок.

Маса фотона рентгенівського випромінювання менша за масу електрона (m_е = 9,1 · 10^-31 кг) майже в 500 разів

Хвильова картина спостерігається, коли мають місце потужні потоки мікрочастинок протягом досить тривалого часу.

Коли ж відбувається окремий акт взаємодії мікрочастинки з речовиною, то до уваги беруться її корпускулярні властивості

Квантові уявлення про природу електромагнітного випромінювання дають змогу пояснити низку явищ, де хвильова теорія виявляється безпорадною. Зокрема, це стосується фотоефекту, люмінесценції, фотохімічних реакцій, розсіяння рентгенівського випромінювання в речовині тощо.

Оптичні квантові генератори

Крім самодовільних (спонтанних) переходів електронів з одного енергетичного рівня на інший спостерігаються також вимушені, або індуковані, переходи, зумовлені дією на атом випромінювання, що падає на нього. Спонтанні переходи здійснюються лише в одному напрямі — з вищих рівнів на нижчі. Вимушені переходи можуть з однаковою ймовірністю відбуватись як в одному, так і в іншому напрямі. У разі переходу на більш високий рівень атом поглинає випромінювання, що падає на нього. Вимушений перехід з одного із збуджених рівнів на більш низький енергетичний рівень супроводжується випромінюванням фотона додатково до того фотона, під дією якого відбувся перехід. Це додаткове випромінювання називають вимушеним, або індукованим.

Вимушене випромінювання має дуже важливу властивість. Напрям його поширення точно збігається з напрямом поширення зовнішнього випромінювання, яке спричинює перехід. Частоти, фази і стани поляризації вимушеного і зовнішнього випромінювання також збігаються. Отже, вимушене і зовнішнє випромінювання є когерентним. Цю особливість вимушеного випромінювання покладено в основу дії підсилювачів і генераторів світла, які називають лазерами.

Уперше принцип підсилення світла за рахунок вимушеного випромінювання запропонував В. О. Фабрикант 1939 р. Використання вимушеного випромінювання для підсилення електромагнітних хвиль у мікрохвильовому діапазоні запропонували 1954 р. незалежно радянські вчені М. Г. Басов і О. М. Прохоров та американський вчений Ч. Таунс*. Відповідні прилади, що працюють в сантиметровому діапазоні хвиль, дістали назву лазерів.

Перший лазер створив Т. Мейман (США) 1960 р. Іноді лазери називають оптичними квантовими генераторами.

Для підсилення світла потрібно, щоб на вищому рівні Е_J було більше електронів, ніж на нижчому, тобто N_J > N_i при Е_J- > Е_і. Вважають, що в цьому разі відбувається інверсна (зворотна) заселеність рівнів Е_і і Е_J. Тоді при проходженні через речовину електромагнітної хвилі з частотою ця хвиля буде не слабшати, а навпаки, підсилюватись за рахунок індукованого випромінювання. Під її дією атоми узгоджено переходитимуть у нижчі енергетичні стани, випромінюючи хвилі, що збігаються за частотою і фазою з падаючою хвилею.

Розроблено чимало методів створення інверсної заселеності енергетичних рівнів. У лазерах, в яких робочою речовиною є люмінесцентні кристали (наприклад, рожевий рубін, який звичайно містить 0,05 % хрому), застосовують для цього оптичне збудження. В газах (наприклад, суміші гелію і неону) крім оптичного нагнітання можна використовувати також зіткнення електронів з атомами та між атомами. У напівпровідникових лазерах інверсна заселеність досягається проходженням через напівпровідник електричного струму.

Розглянемо принцип дії рубінового лазера (рис. 15.13), робочим елементом якого є рубіновий циліндр діаметром 5... 10 мм і завдовжки 20... 100 мм. Плоскі торцеві кінці циліндра паралельні і мають високий ступінь точності. Одна основа циліндра є дзеркальною (покрита сріблом), друга — частково дзеркальною. В деяких випадках часткове пропускання світла досягається виготовленням отвору в посрібленій поверхні кристала. Для оптичного нагнітання вздовж кристала розташовують потужну імпульсну лампу. Поглинання світла створює в йонах хрому інверсну заселеність. Тому спонтанне випромінювання фотонів веде до швидкого посилення інтенсивності світлового променя, причому це світло зазнає багатократного відбивання між дзеркальними поверхнями. Внаслідок цього помітно посилюються лише ті промені, які поширюються паралельно осі циліндра. Крізь напівпрозору поверхню світло виходить із лазера у вигляді інтенсивного різко напрямленого пучка. Ця поверхня є фронтом світлової хвилі. Ширина спектральної лінії випромінювання рубінового лазера (λ = 694,3 нм) становить близько 0,01 нм. Густина потоку світлової енергії дорівнює 10⁴...10⁷ кВт/м². Фотони, що виникають при спонтанному випромінюванні, при проходженні крізь кристал індукують додаткове випромінювання, і внаслідок лавиноподібного утворення фотонів лазер дає інтенсивний світловий потік. Робочу речовину лазера охолоджують до низьких температур, наприклад до температури рідкого азоту (77 К), щоб уникнути переходів електронів з основного рівня на більш енергетично високий унаслідок теплових коливань кристалічної ґратки.

Рис. 15.13

Важливою особливістю квантових генераторів є те, що вони дають когерентне випромінювання. На відміну від газового рубіновий лазер працює лише в імпульсному режимі, віддаючи в короткому імпульсі неперервно накопичувану енергію. Внаслідок цього при імпульсі випромінювання з тривалістю періоду 10 с лазер віддає потужність, що досягає десятків і сотень мільйонів ватів.

Розбіжність пучка когерентного випромінювання лазера мізерна. Можна легко досягти розбіжності близько кутової хвилини, мабуть можна досягти і кутових секунд. Це робить випромінювання лазерів дуже перспективним для здійснення далекого зв’язку, в тому числі і міжпланетного: при малій розбіжності потоку випромінювання густина енергії зменшується залежно від відстані дуже повільно. До того ж велика частота випромінювання (для лазерів 10¹⁴...10¹⁵ Гц, яка перевищує частоту радіохвиль у 10⁷...10⁹ разів) дає змогу передавати одним каналом величезний обсяг інформації. Класичний дослід Майкельсона, повторений із застосуванням лазерів, дав змогу одержати точність, що перевищує точність, якої досяг А. Майкельсон, приблизно в п’ять тисяч разів.

Лазери широко використовують у науці, техніці, медицині. За робочу речовину в лазерах крім кристалів рубіну використовують гази, рідини, напівпровідники. В першому рубіновому лазері випромінювачами були домішкові йони хрому, які перетворюють кристал оксиду алюмінію в рубін. У твердих і деяких рідинних лазерах як випромінювачі використовують домішкові йони рідкісноземельних елементів. У газорозрядних лазерах випромінювачами є атоми, iони і навіть молекули неорганічних сполук, такі як діоксид карбону. Лише в напівпровідникових лазерах під час випромінювання світла використовується сам напівпровідник. Установлено, що складні молекули органічних барвників також можна примусити випромінювати когерентне лазерне світло. Активні молекули в цих лазерах звичайно містяться у водних і спиртових розчинах.

Прикладом практичного застосування лазерів є голографія — особливий спосіб фіксування на фотопластинці структури світлової хвилі, яка відбивається від предмета. При освітленні пластинки (голограми) пучком світла зафіксована на ній хвиля відновлюється майже в первісному вигляді. Отже, зорове відчуття при сприйманні відновленої хвилі оком практично таке саме, як і при спостереженні безпосередньо предмета (за винятком його забарвлення).

Голографію винайшов 1947 р. англійський фізик Д. Габор. Проте здійснення ідеї Д. Габора стало можливим лише після появи 1960 р. джерел світла високого рівня когерентності — лазерів. Вихідну схему Д. Габора вдосконалили американські фізики Е. Лейт і Дж. Упатніекс, які одержали перші лазерні голограми (1963 р.). Радянський вчений Ю. М. Денисюк 1962 р. запропонував (а пізніше здійснив) оригінальний метод фіксування голограм на товстошаровій емульсії. Цей метод має чимало особливостей, зокрема дає змогу одержати кольорове зображення предметів.

Дефекти кристалів

До цього часу розглядалися тільки ідеальні кристали, коли при термодинамічній рівновазі розташування атомів (іонів), молекул у решітці характеризується чіткою тривимірною періодичністю. Реальні ж кристали істотно відрізняються від ідеальних і передусім наявністю в них різних порушень періодичності решітки, дефектів структури. Класифікувати дефекти можна за числом вимірювань і часом існування. У першому випадку розрізняють нульвимірні (точкові), одновимірні (лінійні), двовимірні (поверхневі) і тривимірні (об’ємні) дефекти. У другому - динамічні і статичні дефекти.

Статичні дефекти – це порушення кристалічної решітки, які існують тривалий час і не зникають при охолодженні кристала до температури, близької до 0 К. Розглянемо основні з них.

Точкові дефекти. Точкові дефекти - це порушення кристалічної структури, розміри яких порівнювані з атомною або кількома атомними відстанями. Вони можуть бути простими і складними, рухатися через кристал, взаємодіяти один з одним, з іншими дефектами. В умовах тepмoдинамічної рівноваги в кристалі із стехіометричним складом точкові дефекти виникають у результаті теплового pyxу. Із підвищенням температури кристала концентрація точкових дефектів зростає за експоненціальним законом. Концентрація точкових дефектів залежить також від умови електронейтральності кристала, тобто незалежно від співвідношень концентрацій і типів точкових дефектів кристал у цілому має бути електрично нейтральним. До простих відносять домішки заміщення, домішки впровадження і вакансії. Такі атомні дефекти (Рис. 1.23) проявляються у вигляді вакантних вузлів, у вигляді заміщення частинок основної речовини у вузлах решітки та проникнення атомів домішок у міжвузловину.

а б в

Рисунок 1.23 - Схематичне зображення вакансії (а), домішкового атома (б) і міжвузлового атома (в)

Окрім наведених вище простих, існують складні точкові дефекти. Наприклад, центр забарвлення, або F-центр – це вакансія аніона і електрон, локалізований поблизу неї. Характерними точковими дефектами твердих тіл є парні дефекти: дефекти Френкеля (рис. 1.24 а) - пара вакансії і протилежно зарядженого атома в міжвузловині та дефекти Шотткі (рис. 1.24 б) - пара із катіонної та аніонної вакансій.

Точкові дефекти типу вакансій є в кожному кристалі, як би ретельно він не вирощувався. Більше того, у реальному кристалі вакансії постійно зароджуються й зникають під дією теплових флуктуацій. За формулою Больцмана рівноважна концентрація вакансій у кристалі при даній температурі (Т) визначається так:

де - число атомів в одиниці об'єму кристала; е - основа натуральних логарифмів; k - постійна Больцмана; Ев- енергія утворення вакансій.

а б

Рисунок 1.24 - Дефекти за Френкелем (а) і Шотткі (б)

Для більшості кристалів енергія утворення вакансій приблизно дорівнює 1 еВ, при кімнатній температурі еВ, отже, . При підвищенні температури відносна концентрація вакансій досить швидко зростає: при Т=600К вона досягає 10-5, а при 900К – 10-2.

Аналогічні міркування можна застосувати щодо концентрації дефектів за Френкелем з урахуванням того, що енергія утворення дефектів впроваджень значно більша (порядку 3-5 еВ).

Лінійні дефекти. До лінійних (одновимірних) дефектів кристалічної решітки відносяться дислокації (у перекладі означає "зсув"). Дислокація – це лінія в кристалічній решітці, що характеризується такими ознаками: на відстанях, більших декількох міжатомних відстаней, кристал практично ідеальний; поблизу дислокації атоми помітно зміщені стосовно вузлів ідеального кристала.

Вектор Бюргерса - це вектор довжиною в одну або декілька основних трансляцій кристалічної решітки, що з’єднує початкову і кінцеву точки контура, вздовж якого можна обійти дислокацію і який був би замкненим у випадку відсутності дислокації (рис.1.25).

Найпростішими видами дислокацій є крайова і гвинтова дислокації. Якщо одна із площин обривається усередині кристала (рис.1.25 а), то місце її обриву утворить крайову дислокацію. У випадку гвинтової дислокації (рис.1.25 б) характер зсуву атомних площин інший. Тут немає обриву усередині кристала якої-небудь із атомних площин, але самі атомні площини становлять систему, подібну до гвинтових сходів. По суті, це одна атомна площина, закручена по гвинтовій лінії. Якщо обходити по цій площині навколо осі гвинтової дислокації, то з кожним обертом будемо підніматися або опускатися на один крок гвинта, що дорівнює міжплощинній відстані. Будь-яка конкретна дислокація може бути представлена як поєднання крайової й гвинтової дислокацій.

До двовимірних (поверхневих) дефектів відносять границі між зернами кристалів, ряди лінійних дислокацій. Сама поверхня кристала теж може розглядатися як двовимірний дефект.

До тривимірних (об’ємних) дефектів відносять: пори, тріщини, включення іншої речовини; об’ємні угруповання дефектів меншої мірності; напружені області навколо дефектів меншої мірності та ін.

а б

Рисунок 1.25 - Крайова (а) і гвинтова (б) дислокації. Жирною лінією показано контур обходу дислокації. - вектор, напрямлений вздовж дислокації; - вектор Бюргерса

Іншим типом об'ємних дефектів у кристалах є кластери. Традиційний термін „кластер" означає групу атомів у кристалі, які утворюють мікрообласть, у межах якої виконується операція трансляційної симетрії для всіх елементів кластера. У сучасній фізиці це поняття розширене і під кластером розуміють певне впорядковане розміщення атомів, в якому є ближній порядок. Кластери можуть бути виявлені як у кристалі, так і „самостійно", виступаючи „будівельним матеріалом" для нових сполук.

З середини 80-х років ХХ ст. розпочалося інтенсивне дослідження багатоатомних кластерів вуглецю Сп - фулеритів, де п - число атомів [5]. У фулеритах атоми вуглецю знаходяться на замкнутій (сферичній чи сфероїдальній) поверхні макромолекули. Поверхня такої макромолекули симетрично покрита правильними п'ятикутниками (їх 12) та шестикутниками, кількість яких згідно з теоремою Ейлера дорівнює 10. Серед великої кількості фулеритів найбільш стабільними є молекули С60 та С70 (рис.1.26). На початку 90-х років була розроблена технологія добування фулеритів, яка ґрунтується на термічному розпиленні графітових електродів у дуговому розряді. Це дало змогу отримувати фулерити та вивчати їхні властивості не тільки у молекулярній формі, але й синтезувати з них нові кристалічні матеріали, які називають фулеренами. Дослідження показали, що фулерени та фулерити мають унікальні властивості. Дослідження електричних і магнітних властивостей фулеренів, легованих лужними металами, зумовило відкриття в них явища надпровідності. Згодом була виявлена здатність фулеренів утворювати трубчасті волокна - нанотрубки, які є надзвичайно стійкими щодо хімічної дії і є тоншими та міцнішими за інші відомі волокна. Водночас залежно від геометричних параметрів такі нанотрубки можуть мати властивості металу, напівпровідника чи діелектрика.

а б

Рисунок 1.26 - Схематичне зображення молекул фулерену С60 (а) та С70 (б)

У 1995 р. були синтезовані гетерофулерити - молекули фулеритів, в яких один або декілька атомів вуглецю заміщені атомами іншого сорту, та отримані водні розчини фулеритів С60 та С70.

Широкий спектр властивостей фулеренів робить їх перспективними для практичного використання. Зокрема, в мікроелектроніці гетерофулерити розглядають як основу для нових напівпровідникових матеріалів та фотоелектронних приладів. У медицині фулерити відіграють роль сорбентів, а нанотрубки, які вони утворюють, розглядають як засіб транспортування лікарських препаратів прямо у клітину. В техніці фулерити використовують як основу для синтезу штучних алмазів, їх також застосовують як домішки для мастильних речовин, як іонні вловлювачі радіоактивних елементів, а на основі розчинів фулеритів створені нелінійні оптичні затвори.

Динамічні дефекти – це порушення кристалічної решітки, які існують дуже короткий час або швидко мігрують по кристалу. Сучасна фізика твердого тіла носіями динамічних порушень кристалів вважає елементарні збудження, породжені колективним рухом взаємодіючих між собою частинок, а не рухом окремого атома (іона).

Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 519; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 16 17 18 19 20 21 22 232425 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!