🗊Презентация Вынужденное излучение, устройство и принцип действия лазера, свойства и применение лазерного излучения, типы лазеров

Лекция 4 (22.03.2016) Вынужденное излучение, устройство и принцип действия лазера, свойства и применение лазерного излучения, типы лазеров Резонансная спектроскопия Ядерный магнитный резонанс (ЯМР, ПМР) Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР) Ядерный гамма-резонанс (ЯГР, спектры Мёссбауэра)

Вынужденное излучение, отрицательное поглощение Iпр=I0-I0Kl=I0e-Kl Эйнштейн, работая над теорией излучения (1916), обратил внимание, что при К<0 (нонсенс!) Iпр должна увеличиваться по сравнению с I0; т.е. вместо ослабления света, прошедшего через среду, он будет усиливаться. Им был сделан вывод о существовании 2 механизмов излучения: 1 –спонтанного, 2 – вынужденного. П. Дирак (1927), В. Фабрикант (1940), Ч.Таунс, А.Прохоров, Н.Басов(1953-1964) К=N0 при N0>>N1, а если возбужденное состояние заселено значительно (мощное возбуждение), должно быть строгое выражение для К=(N0-N1), т.е. при N1 >N0- возникает «отрицательное поглощение» или вынужденное излучение

Вынужденное излучение а) При N1<<N0 и наличии внешнего поля – поглощение, б) при N1 0 и отсутствии внешнего поля – спонтанное излучение, в) при N1 >N0 и наличии внешнего поля - вынужденное излучение. в) Состояние при N1 >N0 : неравновесное состояние – состояние с инверсной населенностью уровней, К=(N0-N1)=[(hB01(N0-N1))/c]<0 – отрицательный показатель поглощения; К=(hB10(N1 - N0))/c  коэффициент усиления, B10 - коэффициент Эйнштейна для вынужденного излучения. (B10 = B01 g0/g1, где g0и g1 – статистические веса уровней Вынужденное излучение неотличимо от вынуждающего излучения: имеет ту же частоту (длину волны), фазу (постоянный сдвиг фаз), поляризацию, направление – эти свойства характерны для лазерного излучения – усиленного вынужденного излучения, оно монохроматично и строго когерентно вынуждающему.

Принцип действия оптического квантового генератора – лазера – laser – light amplification by stimulated emission of radiation Основные компоненты лазера: 1.Активная среда – среда с инверсной населенностью – необходима для преобладания вынужденного излучения над спонтанным. 2.Система накачки активной среды -устройство для поддержания инверсной (неравновесной) населенности (оптическая, газовый разряд, эл-ческий ток в ПП и т.д.; инверсия создается при взаимодействии системы накачки с 3 или 4 уровневой молекулярной системой) (Басов Н.Г. 1964 г. Ноб.Пр.) (на рис.: схема переходов в рубиновом лазере: Al2O3+Cr3+, уровни Cr3+, 3-уровн.схема: kсп=107, kби=1011с-1, N2>N1) (Т.Мейман) 3.Обратная связь – оптический резонатор: устройство, выделяющее направление пучка вынужденных фотонов: усиливается излучение, направление которого нормально к поверхности зеркал - система параллельных зеркал (глухое и полупрозрачное), между которыми возникает стоячая волна, т.е. укладывается целое число полуволн: происходит устранение потерь. (Прохоров А.М. 1964 г., Ноб.Пр.)

Типы лазеров Твердотельные: (Рубиновый лазер: Al2O3+Cr3+,  =694 нм, Т.Мейман, 1960), высокая мощность Неодимовый - YAG:Nd (=1064 нм + гармоники – 532 нм, 355 нм, 266 нм и т.д.) Газовые: Гелий-неоновый (рис.): He(130 Па)+Ne(13 Па), непрерывный, =633 нм, А.Джаван, 1961, (1963 в Томске: И.И.Муравьев) Эксиплексный Хе*Сl (лазер на плотных газах), (1:0.001), =308 нм, легко создать инверсию, высокие выходные энергии

Типы лазеров Полупроводниковые (диодные): GaAs, =837 нм, малогабаритный, но маломощный, высокая расходимость. (Инверсия за счет высоких токов через p-n переход: 3-10 кА/см2). Лазеры на красителях: 1960. =340 - 900 нм, широкая область перестройки (=20-50 нм ). (Инверсия за счет внутримолекулярных процессов в сложных молекулах: 2 – флуоресценция, 3 – генерация вынужденного излучения).

Cвойства лазерного излучения 1. Высокая интенсивность (до 108 Дж/с см2, ГВт/см2), 2. Высокая направленность (расходимость до 10-3 мрад), 3. Высокая монохроматичность (узкая полоса =0.001 см-1) 4. Высокая когерентность – временная и пространственная (одинаковая частота, фаза, поляризация, направление излучения, т.е. малая расходимость):

Применение лазеров 1. Спектроскопия комбинационного рассеяния 2.Внутрирезонаторная спектроскопия с высоким разрешением и чувствительностью 3.Лазерная химия 4.Интерферометрия 5. Голография 6. Волоконная оптика, приборостроение 7. Лазерный термоядерный синтез, лазерное разделение изотопов (использование высокой мощности и узкой линии) 8. Технологические процессы (сварка, резка, плавка металлов, маркировка изделий) 9. Медицина (лазерная хирургия, лазеротерапия) 10. Нелинейная оптика Литература: Трофимова Т.И. Оптика и атомная физика: законы, проблемы, задачи. М. «Высшая школа» 1999. (с.238-244).

Физика явления магнитного резонанса Сущность явления магнитного резонанса проявляется во взаимодействии собственного суммарного магнитного момента ядер (I) атомов и электронов (S), входящих в молекулу (спинов), с внешним магнитным полем Н, в результате которого наблюдается расщепление энергетических уровней на (2I+1) или (2S+1) компоненту (эффект Зеемана) – верхний рис. При дальнейшем наложении на вещество электромагнитного поля (нижний рис.), энергия квантов которого совпадает с энергетическим расщеплением Е=h, образованным под действием магнитного поля, возникает спектр ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или спектр электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). m, s = 1 Для всех ли молекул можно получить спектры ЯМР и ЭПР?

Физика явления магнитного резонанса Условия, необходимые для возникновения таких спектров: отличие от нуля полного спина ядра - I (I0: ЯМР) либо суммарного спина всех входящих в систему электронов - S (S0: ЭПР). Т.о., спектры ЯМР можно получить для ядер с четным массовым числом и нечетным порядковым номером (I=1, 2…) N147,Br8035 , Re18675 …, либо с нечетным массовым числом при любом порядковом номере (I=1/2, 3/2...): Н1, C13 , F19 , О17и т.д. (Для протонов – ПМР, I=1/2) Спектры ЭПР существуют для частиц, имеющих неспаренные электроны (радикалы (S=1/2), триплетно-возбужденные молекулы (S=1), ионы переходных металлов и их соединения (S=1/2, 1, 3/2 ...).

Спектры ЯМР (ПМР). Е вз =(Н)= Нcos(^Н) H напряженность магнитного поля (В=H –индукция, - магнитная восприимчивость)  -магнитный момент ядра водорода (квантуется, т.е. принимает определенные значения в магн. поле, =gI), g – ядерный g-фактор; -ядерный магнетон, I=1/2 – спин ядра атома водорода, Число расщепленных подуровней n=2I+1: определяется магнитным квантовым числом m, которое изменяется от I до -I = 1/2, Е=-Н: энергия при магнитном моменте, ориентированном по полю (m=1/2), стабилизируется Е =+Н: энергия при магн. моменте, ориентированном против поля (m=-1/2), - дестабилизируется. Энергия эл-магн. поля квантуется, т.е. Е=h=2(Н) Если облучать эту систему излучением с частотой , осуществляется (Е - Е)=Е=h - переход, т.е. переориентация магнитных моментов – спинов относительно поля: Правила отбора: m=1 (обычно Н=10 КГс=104 Эрстед –большие величины, т.е. =40-43 МГц для ПМР). Верхние уровни должны расселяться за счет спин-спинового и спин-решеточного взаимодействия, т.е. можно изучать конденсированные среды. На практике для получения спектра  фиксируют (40-50 МГц), Н (или В)– сканируют: (0.34-1.25)104 Эрстед.

Понятие о постоянной экранирования и химическом сдвиге (как получить данные о структуре?) Напряженность магнитного поля меняется от электронного окружения, которое экранирует ядро по-разному в зависимости от его положения в молекуле, т.е. ядро находится в поле НN : в молекуле этанола (рис.) наименее экранирован протон ОН группы (связь слабее), наиболее - протоны в СН3 группе этанола. НN =Н0(1- ),  =(Н0 - НN)/Н0 - постоянная экранирования, показывает насколько НN< Н0 , где Н0 напряженность внешнего поля. Чем  больше, тем меньше НN , тем при больших Н0 проявляется ПМР сигнал. Чем больше в группе протонов, тем выше интенсивность ПМР сигнала (рис.): протоны СН3 проявляются при больших Н0, чем ОН. Т.к. с меньшей погрешностью измеряются разности напряженностей магнитного поля: выбирается стандарт – молекула, протон в которой сильно экранирован: Si(CH3)4 – ТМС, для нее измеряется тщательно спектр, т.е. определяется ст и Нст и сдвиг сигнала ПМР -  НNст=Н0(1- ст), НNх=Н0(1- х), (НNх-НNст)/Н0==(ст- х)=(х-ст )/(0), Н=Е=h где =(х-ст )/(0)106 м.д., - химический сдвиг сигнала х относительно известного стандарта ст , 0 – рабочая частота внешнего электромагнитного поля.

Химический сдвиг =[(х -ст )/0] 106 м.д. Сдвиг положительный (при ст=0) – слабопольный, х возрастает в сторону слабого поля: чем больше сдвиг, тем менее экранирован протон - -шкала  =(10-), (ст =10), сдвиг убывает в сторону слабого поля – -шкала Абсцисса – хим.сдвиг в м.д. Ордината – интенс. в отн.ед. пропорц. числу протонов в группе

Химический сдвиг = =[( х - ст )/0] 106 м.д. Е=h0 –радиочастотный диапазон: 42-43 МГц. Н:=10 КГс=1Т=104 Эрстед Исследуемые образцы: жидкости, твердые тела. Протоны в кислотных группах и Н-связях экранированы менее всего (наибольший = 7 – 9 - 13). Наиболее экранированы протоны в метильных и метиленовых группах алифатических цепочек (наименьший =1).

Спектры ЭПР Исторически сначала был открыт ЭПР-эффект (1944 Завойский Е.К., Казань), позже в1946 г.– ЯМР-эффект – в США (Ф.Блох и Э.Парсель). Эффект обусловлен взаимодействием спина электрона с внешним магнитным полем (условие получения спектров ЭПР: наличие неспаренных электронов - суммарный электронный спин отличен от 0!). Е вз=-2(еН)=gБН=h; е=-gБ ms; (стабилизируется состояние со спином, сориентированным против поля: ms=-1/2 – из-за отрицательного заряда электрона). Число проекций =2S+1: S=1/2 – радикал, S=1 – триплетное состояние. Правила отбора: ms=1 Б – магнетон Бора=еh/(2mc)=9.2710-24 А М2 =103, т.е. спектр находится в более коротковолновой по сравнению с ЯМР (микроволновой) области (Ггц, фиксируем ν, сканируем Н в области 0.34-1.25 104 Эрстед. g-отношение полного магнитного момента электрона к спиновому моменту - спектроскопический фактор расщепления, g-фактор Ланде, характеризует состояние неспаренного электрона в молекуле, т.е. связан со структурой: уменьшается при увеличении спинового момента. Измеряя Н, при заданном , определяем g.

Спектры ЭПР Для свободного электрона g= 2,0023; в составе молекулы: gБНлок=h – изменение g во 2-3 знаке, зависит от спин-орбитального взаимодействия (возрастает при наличии «тяжелых» атомов, для переходных металлов - g=1.35-6.5). Электрон в молекуле движется в локальном поле: Нлок=Нвнешн  Ннавед, т.е. g уменьшается (по сравнению со свободным электроном) при ослаблении поля в молекуле (для достижения резонанса Нвнешн должно быть больше) и увеличивается при усилении поля (для достижения резонанса Нвнешн должно быть меньше). Это отражает структуру молекул, с которой связана величина наведенного спин-орбитальным взаимодействием поля Нлок. Т.о., g-фактор –аналог постоянной экранирования и хим.сдвига в ПМР Спектры ЭПР представляются в дифференцированной форме (рис.)

Сверхтонкое расщепление спектров ЭПР СТВ обусловлено взаимодействием спина распаренного электрона и спина ближайшего ядра: I – спин ядра, поэтому энергетические уровни электрона во внешнем магнитном поле дополнительно расщепляются на 2I+1 компоненту (пример – атом водорода (рис.): Е=msЕ=gБНms+AmsmI, где msи mI квант. числа проекц.спина электрона и ядра, А – постоянная сверхтонкого взаимодействия – характеризует степень взаимодействия электронных и ядерных спинов, т.е. близость е- к ядру: при I=1/2, А/2= gБН. Правила отбора: mI=0, ms=1, отсюда дублет в спектре: h=Е= gБНА/2. Если 2 разных ядра – возникает квартет, если 2 одинаковых – триплет с разными интенсивностями и.т.д.

Техника ЭПР-спектроскопии Е: 9.5 ГГц; 25 ГГц; 35 ГГц. Н: 0.34-1.25 Т= (0.34-1.25)104 Эрстед Исследуемые образцы – жидкость, замороженные растворы, кристаллы, порошки. 1.Определяется природа возбужденного состояния (Т) 2.Изучаются химические реакции (проявление радикалов) 3.Определяют природу и локализацию электронов в сложных молекулах, ПП, кристаллических решетках 4.Определяется природа и структура парамагнитных ионов (по величине g и А)

Спектры ядерно-квадрупольного резонанса Эффект ЯКР возникает в отсутствие внешнего магнитного поля при взаимодействии квадрупольного момента ядра с градиентом распределения электронной плотности, окружающей ядро: надо, чтобы магнитный момент µN, спин I и квадрупольный момент ядра еQ отличались от 0. еQ – ядерный электрический квадрупольный момент 0 при отклонении распределения электрического заряда в ядре от сферической симметрии и I>1 (B,N,Cl,Br и т.д.). В некоторых кристаллах имеется большой градиент напряженности электрического поля вблизи ядра, для которого еQ0, при этом наблюдается взаимодействие квадрупольного момента ядра с неоднородным электрическим полем (Евз=A=qe2Q), в результате чего уровни расщепляются. При наложении внешнего поля в радиочастотной области (0.01 – 50 МГц) происходят переходы, возникает спектр ЯКР. Обычно еQ известны, из спектров определяют eq, т.е. параметры градиента электронной плотности, что важно для теории химических реакций: как правило, в случае ионной связи А мала: SiCl; при ковалентной связи А увеличивается: CCl3, NCl.