2.3.3 Atomu ir molekuliu fizikos elementai (Fizika.KTU.2009)

8/7/2019 2.3.3 Atomu ir molekuliu fizikos elementai (Fizika.KTU.2009)

1/19

Atom sveikos molekulje rys (joninis ir kovalentinis ryys).

Molekul maiausia mediagos dalel, turinti esmines mediagos chemines savybes.

Ji susideda i vienod arba skirting atom.Molekulje atom yra du arba daugiau.

Atomus molekulje patvari daugiaatom sistemsieja atom sveika.

ios sveikos kiekybinis matas yraenergijos kiekis, kuris isiskiriasusidarant molekulei.

Bandymai rodo, kad atomams susijungus molekul, jos optinis spektras, kur slygojavalentini elektron uoliai, labai skiriasi nuo atominio spektro, o bdingasis Rentgenospektras, kur slygoja vidini sluoksni elektron uoliai, nepakinta.

Taigi, tarpatomin sveik molekulje lemia atom valentiniai elektronai.


2/19


3/19

Atom sveikos molekulje rys (joninis ir kovalentinis ryys).

Joninis ryys galimas tarp I ir VII grupi element. Kai sveikauja artimesni grupiatomai, j cheminis ryys turi irjoninio ir valentinio ryio poymius.

Gamtoje egzistuoja ir i vienod atom sudarytosmolekuls, pavyzdiui, H2, O2, N2 ir t.t.Vienod atom cheminio ryio kvantin teorijsukr V.Heitleris ir F.Londonas. 1927 m.

H2 molekul sudaro sveikaujanios 4 dalels 2 atomobranduoliai ir 2 elektronai. Kai elektron sukiniai antilygiagrets,tai atomams suartjant, sistemos energija pastebimai maja irsusidaro cheminis ryys.

Galima sakyti, kad kiekvienas elektronas vienu metu priklauso abiems branduoliams.itoks ryys tarp atom vadinamas valentiniu arba kovalentiniu.

Atomo valentingumu vadinamas valentini jungi, kurias jis gali sudaryti, skaiius.Valentiniai ryiai gali susidaryti ir tarp skirting atom, esani gretimose periodinselement lentels grupse, pavyzdiui, CN molekul.

Taiau cheminis ryys tarp atom, esani vis tolimesnse grupse, turi ir valentinio, irjoninio ryio poymi.

H2O2

Cl2


4/19

Molekuliniai spektrai

Absorbcijos, emisijos ar kombinacinio isklaidymo spektrai, susidarantys dl kvantiniuoli tarp laisvosios ar silpnai su kitomis sveikaujanios molekuls energijos lygmen

vadinami molekuliniais spektrais.

Molekul gali judti sudtingiau u pavien atom: ji gali suktis arba atomai molekuljegali virpti. Todl molekuls bsenai nusakyti reikia daugiau ir kvantini skaii neguatomo bsenai nusakyti.

Pilna molekuls energija W susideda i toki dmen:

1. Jos mass centro slenkamojo judjimo energijos Ws,2. Molekul sudarani atom branduoli energijos Wb,3. Elektron judjimo ir sveikos energijos We atome,4. Molekuls kaip visumos sukamojo judjimo (rotacijos) energijos Wr ,5. Molekul sudarani atom branduoli virpjimo apie j pusiausvyros padt

energijos Wv.

Ws yra nekvantuota ir ji spektrams takos neturi. Pastebimos takos molekuliniamsspektrams neturi ir Wb, todl iuos dydius nekreipiame dmesio.

Taigi molekulini spektr svarbiausius dsningumus lemia energijos:


5/19

Molekuls rotacins energijos lygmenys(dviatoms molekuls rotacins energijos iraika, rotaciniokvantinio skaiiaus verts; nuotolis tarp gretim energijos lygmen).

Panagrinkime dviatoms molekuls rotacins energijos vertes.

Molekuls sukamojo judjimo energija ireikiama:

ia L molekuls rotacijos impulso momentas.Jis kvantinje mechanikoje ireikiamas:

ia dydis J vadinamas rotaciniu kvantiniu skaiiumi. Tada:

Nuo molekuls sandaros priklausantis ir vadinamas molekuls rotacineenergijos vienetais matuojamas dydis: konstanta .

Nuotolis tarp gretim rotacins energijos lygmen tada yra:

Jis yra 103 -10 5 eV eils.

I impulso momento tverms dsnio seka, kad ia galimi tik atrankos taisykl J=1tenkinantys spinduliniai uoliai.

T.y. galimi tik uoliai gretim rotacins energijos lygmen.


6/19

Molekuls vibracins energijos lygmenys(harmoninis osciliatorius, energijos formul, vibracinio kvantinioskaiiaus galimos verts; nuotolis tarp gretim lygmen).

Tarkime, kad ryys tarp atom molekulje yra tamprusis.Tuomet atom sveikos potencin energija V(r), kaip

nuotolio r tarp j centr funkcija vaizduojama:

Nuotoliui tarp atom centr pakitus dydiu (r-r0), atsirandalink pusiausvyros padties nukreipta kvazitamprioji jga dl to kiekvieno atomo branduolys virpa apie savo pusiausvyros padt (r=r0) .

Jeigu virpesi amplitud, palyginti su r0 yra labai maa, tai jie yra harmoniniai ir jiemstinka harmoninio osciliatoriaus dsningumai.Tokio osciliatoriaus energija ireikiama lygtimi:

ia v vibracinis kvantinis skaiius, 0 nuo virpanios dalels mass m ir sistemoskvazitampriosios konstantos k priklausantis virpjimo savasis danis:

I energijos formuls seka, kad nuotolis tarp gretimvibracins energijos lygmen yra vienodas ir lygus:

Priklausomai nuo molekuls prigimties is nuotolis yra 102 -101 eV eils.

Tokio osciliatoriaus spinduliniams uoliams tarp vibracins energijos lygmen galiojaatrankos taisykls v=1.


7/19

Rotacini, vibracini ir elektronini energijos lygmen diagrama.Molekulini spektr samprata (io spinduliavimo diapazonai).

Dviatoms molekuls energijos iraik sudaro trys komponents:

Nustatyta, kad ios lygybsdmenims galioja nelygyb:

Gretimi elektron energetiniai lygmenys We yra toli vienas nuo kitopalyginti su gretimais vibraciniais, o tuo labiau rotaciniaisenergetiniais lygmenimis.

1. Kiekvien apibrt We

vert atitinka kvantiniu skaiiumi v nusakomas visasmolekuls vibracini bsen rinkinys su savita vibracine energija Wv.

2. Kiekvien apibrt molekuls vibracins energijos Wv vert dar atitinka daugybbsen su skirtinga rotacine energija Wr.

Taigi net dviatoms molekuls energijos spektras yra labai sudtingas palyginti suatomo.Tokie spektrai vadinami juostiniais.


8/19

Rotacini, vibracini ir elektronini energijos lygmen diagrama.Molekulini spektr samprata (io spinduliavimo diapazonai).

Vykstant spinduliniam uoliui tarp molekuls energetini

lygmen, spinduliavimo danis ireikiamas lygybe:

Rotacinio spektro spinduliavimas yra ilgojo infraraudonojospinduliavimo (imtai mikrometr) diapazone.

uoli i molekuls vieno vibracinio lygmens gretim v=-1Metu rotacinis kvantinis skaiius gali sumati J = -1 arbapadidti J=1.

Dl i uoli susidaro vibracijos juosta i labai artimrotacijos linij.

Toks spektras vadinamas vibraciniu rotaciniu molekuliniuspektru.

Jis yra artimoje (iki keli mikrometr) ir vidutinje (iki keli

deimi mikrometr) infraraudonojoje spektro srityje.


9/19

Kvantini uoli tipai(spinduliniai ir nespinduliniai, leistiniai ir draustiniai; spontaniniai ir indukuotieji bei j svarbiausios savybs).

Kvantiniu uoliu vadiname kvantins sistemos (atomo, molekuls, kristalo) perjim ivieno energetinio lygmens kit.

Kvantinio uolio metu vyksta energijos atidavimas arba sugrimas.

Pagal energijos virsmo tip skiriami spinduliniai ir nespinduliniai uoliai.

Spindulini uoli metu energijos atidavimas vyksta fotono ispinduliavimu.

Nespindulini uoli metu energija perduodama kitiems atomams, elektronams arkristalinei gardelei, virpesi pavidalu.

Tie uoliai, kuri tikimyb yra didel, vadinami leistiniais, o kuri tikimyb maa ar netlygi 0 draustiniais.

Suadintj energij Wilygmenys, i kuri spontanini uoli tikimyb yra palyginti

maa, vadinami metastabiliaisiais.


10/19


uolis, kuris vyksta savaime i kvantins sistemos vieno energetinio lygmens kit,vadinamas savaiminiu arba spontaniniu.

Savybs:

Jie galimi tik i didesns energijos (Wi) lygmens maesns energijos (Wj) lygmen.

Savaiminiam spinduliavimui bdinga tai, kad jis vyksta atsitiktinai.

Negalima numatyti uolio pradios laiko momento, galima tik vertinti tikimyb, kadper tam tikr laiko tarp jis vyks.

Dl savaiminio uolio atsitiktinio pobdio vairs atomai spinduliuoja nepriklausomaivienas nuo kito ne tuo paiu laiko momentu.

Dl to j elektromagnetinio spinduliavimo bang fazs, poliarizacija, spinduliavimosklidimo kryptys yra vairios, t.y. tarpusavyje nesuderintos.

Todl savaiminis spinduliavimas yra nekoherentinis, nors spinduliavimo danis gali irsutapti.


11/19


1918 m. A.Einteinas atkreip dmes tai, kad turibti dar vienas spindulini uoli tipas.

Pagal j, jeigu suadintame lygmenyje Wi esantatom veikia kintamasis elektromagnetinis laukas,

kurio danis tenkina slyg:

tai spindulinio uolio Wi Wj tikimyb padidja.

Toks spindulinis uolis vadinamas priverstiniu arba indukuotuoju.

iuo atveju elektromagnetinio lauko (fotono) veikiamas suadintas atomas pereina maesns energijos bsen.

io uolio metu ispinduliuoto fotono energija nusakoma lygybe.

Indukuotojo spinduliavimo esmin ypatyb yra ta, kad naujai susidariusio fotonoenergija, danis, sklidimo kryptis, poliarizacija, pradin faz yra tapats j suadinusiofotono atitinkamoms charakteristikoms.Indukuotasis spinduliavimas yra koherentus j indukavusiam.


12/19

Lygmen upildymas (elektronais). Upildymo apgra(kodl kvantiniams stiprintuvams bei generatoriams btina sudaryti lygmen upildymo apgr).

Bsenoje Wj esanti kvantin sistema, sugrusi energijos kiek h, kuris tenkina slyg:

pereina didesns energijos Wi bsen vyksta priverstinis arbaindukuotasis absorbcinis uolis. Spontaniniai uoliai Wj Wi negalimi.

Paprasiausios pusiausvyros atvejis yra detalioji pusiausvyra, kuri nusistovi tarp betkuri dviej laisvai pasirinkt energetini lygmen. Tuomet uoli i i-ojo lygmens j-jskaiius turi bti lygus per t pat laik vykusi atvirktini uoli skaiiui (i j-ojo i-j).

Kai kno temperatra T>0K, dalis jo atom ar molekuli yra suadintos.Detaliosios pusiausvyros atveju dalels pagal energijas Wi pasiskirsto pagal Bolcmano

dsn: ia Ni energijos Wi bsenoje esani daleli skaiius,C tam tikra sistemos konstanta.

Tuomet pagal skirtingas energijas Wi ir Wj dalels pasiskirsto itaip:

I ia seka, kad jeigu Wi>Wj , tai Nj>Ni, t.y. maesns energijos lygmenyje daleli yradaugiau negu didesns energijos lygmenyje.


13/19


Kai spinduliavimo energija sklinda mediaga, stebimi abiej tip indukuotieji uoliai:absorbcinis ir spindulinis.

Pirmasis krintanio spinduliavimo intensyvum maina, antrasis didina.Galutinis rezultatas priklauso nuo to, kuris i j dominuoja.

Kadangi Nj>Ni , tai krintaniam fotonui didesn tikimyb sveikauti su energijos Wjdalelmis negu su energijos Wi dalelmis.Taigi absorbcini uoli bus daugiau negu

indukuotj spindulini uoli.

Mediaga sklindanio spinduliavimo intensyvumas maja Bugerio dsniu:

Mediaga sklindanio spinduliavimo intensyvumas didja tik tuomet, jeigu indukuotjspindulini uoli tikimyb yra didesn negu absorbcini uoli.Tuomet eksponents laipsnio rodiklis yra teigiamas.

Dyd paymj k , Bugerio dsn perraome itaip:ia teigiamas dydis k vadinamas stiprinimo koeficientu.

Santykis rodo kiek kart spinduliavimo intensyvumas padidja, spinduliavimui praeinatstorio x mediagos sluoksn.


14/19


Taip yra mediagoje, kurioje sukurta energetini lygmen upildymo apgra (inversija),t.y. didesn energijos vert Wi turini daleli skaiius Ni>Nj.

taisas, kuriuo dl indukuotj spindulini uoli generuojamas danio signalas,vadinamas kvantiniu generatoriumi.

Jeigu jis yra optini dani diapazone, tai prietaisas dar vadinamas lazeriuarba optiniu kvantiniu generatoriumi (OKG), o jeigu mikrobang diapazone mazeriu.

Kai toks taisas naudojamas danio ioriniam signalui stiprinti, tuomet jis vadinamaskvantiniu stiprintuvu.

Jo veikimo principas visai toks pat kaip kvantinio generatoriaus.

Kvantiniai generatoriai ir stiprintuvai veikia apgros (inversijos) lygmen panaudojimoprincipu. Tik tokioje struktroje signalas yra stiprinamas.

Apgros (inversijos) struktra gaunama trij lygmen sistemoje.

Ekonomikesnis yra keturiais energetiniais lygmenimis pagrstas j upildymo apgrosgavimo bdas.


15/19

Kaip sudaroma lygmen upildymo elektronais apgra(trij energetini lygmen sistema).

Toki apgr galima gauti trij energetini lygmensistemoje, jeigu jie pasiymi reikiamomis savybmis.

W1 yra nesuadinto atomo ar molekuls didiausiaenergija,

o W2 ir W3 suadint energij lygmenys.

ia labai svarbu, kad spinduliniai uoliai i 3-iojo lygmens 2-j bt leistini,o i 2-ojo 1-j bt draustini, kitaip sakant energetinis lygmuo W2 bt metastabilusis.

Metastabiliaisiais vadinami suadintj energij Wi lygmenys, i kuri spontanini uolitikimyb yra palyginti maa.

Tuomet jame atsidrusio atomo bdingoji gyvavimo trukm bt apie 103 s,t.y. apie 105 kart ilgesn negu lygmenyje W3. Be to, lygmuo W2 turi bti artimas W3 .


16/19

Kaip sudaroma lygmen upildymo elektronais apgra(trij energetini lygmen sistema).

i kvantin sistem veikiant energijos ' = W3 W1intensyviu foton srautu, vyrauja elektronus i lygmens

W1 W3 perkeliantys absorbciniai uoliai.

Dalis suadint atom savaime ar priverstinai grta lygmen W1, po to vl sugr foton i naujo suadinami.

Taiau jeigu lygmuo W2 artimas W3, tuomet didel tikimyb, kad suadintieji atomai,

kristalui ar kitiems atomams atidav energijos kiek W3 W2, pereina metastabiljlygmen.

Intensyviai adinant mediag, gali susidaryti 1 ir 2 lygmen upildymo apgra, t.y.situacija, kurioje N2>N1 .

ia turi bti suadinta daugiau kaip pus vis mediagos daleli, todl adinimo

intensyvumas turi bti gana didelis.

Spontaninio uolio metu i 2 lygmens 1 lygmen ispinduliuotasis daniofotonas gali indukuoti spindulin uol 21.

Tuomet susidaro dar vienas jam tapatus fotonas. ie jau du fotonai savo ruotu galiindukuoti naujus kvantinius uolius tuomet danio signalas stiprja.


17/19

Kvantini generatori bei stiprintuv veikimo principai(technine prasme; rezonansinio stiprintuvo veikimas; grtamasis ryys; rezonanso slyga; kuo kvantinisgeneratorius panaus kvantin stiprintuv ir kuo skiriasi?)

Pirmj kvantin generatori (mazer) beveik vienu metu 1954 m. sukr C.Taunsas su

bendradarbiais bei N.Basovas su A.Prochorovu. ia aktyvioji mediaga buvo amoniakoNH3 molekuls.

Pirmasis kietojo kno lazeris (1960 m.) sukurtas naudojant rubino kristal.Raudonasis rubinas yra aliuminio oksido (Al2O3) kristalas (korundas), kuriame apie0,05% aliuminio atom pakeista chromo jonais.

Pirmasis duj kvantinis generatorius sukurtas 1961 m.ia aktyvioji mediaga buvo neono ir helio duj miinio plazma, kuri susidarydavovykstant aukto danio elektros ikrovai.


18/19


Kiekvien kvantin generatori sudaro rezonansinis

stiprintuvas ir grtamojo ryio elementai.Stiprintuv sudaro aktyvioji mediaga 1 ir jos adinimoenergijos altinis.Grtamojo ryio grandin sudaro atviras rezonatorius,t.y. du nuotoliu L taisyti lygiagrets veidrodiai 2 ir 3.

Vienas j, sakykime 3, yra pusiau skaidrus.

Tik iilgai rezonatoriaus sklindantys fotonai, atsispindj nuo veidrodio 2, vl grta aktyvij mediag ir toliau kuria tapai foton lavin.

Jiems pasiekus pusiau skaidr veidrod 3, dalis ieina iorn, o kita dalis atsispindi, irtoliau aktyvioje mediagoje j srautas stiprja. Tokiu bdu veidrodiais sudaromasteigiamas grtamasis ryys, btinas foton generavimo reimui palaikyti.I (pav. a) seka, kad kiekvien kart praeinanio aktyviosios mediagos ilgio L sluoksnspinduliavimo intensyvumas padidja ekL kart, ia k stiprinimo koeficientas.


19/19


Kad bt generuojamas spinduliavimas, rezonatoriaus ilgis L

turi tenkinti tam tikras slygas.

Spinduliavimo stiprjimas kvantiniame generatoriuje pagalbangin vaizd reikia, kad nepaliaujamai didja bangosamplitud.

Pasiekus rezonans ji pasidaro didiausia. Tai vykstatuomet, kai rezonatoriaus ilgyje L telpa generuojam bang sveikasis pusbangiskaiius, t.y.

Taigi iuo poiri kvantinio generatoriaus spinduliavimas tai daugybs koherentinibang, kuri fazi skirtumai 2 kartotiniai, interferencijos rezultatas.

taisas, kuriuo dl indukuotj spindulini uoli generuojamas danio signalas,vadinamas kvantiniu generatoriumi.

Kai toks taisas naudojamas danio ioriniam signalui stiprinti, tuomet jis vadinamaskvantiniu stiprintuvu. Jo veikimo principas visai toks pat kaip kvantinio generatoriaus.

Documents

2.3.3 Atomu ir molekuliu fizikos elementai (Fizika.KTU.2009)