Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

7.2: Джерела випромінювання

  • Page ID
    26931
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Всі форми спектроскопії вимагають джерела енергії, щоб помістити аналіт в збуджений стан. При спектроскопії поглинання і розсіювання ця енергія подається фотонами. Емісійна та фотолюмінесцентна спектроскопія використовує теплову енергію, променеву (фотонну) енергію або хімічну енергію для сприяння аналіту до відповідного збудженого стану. У цьому розділі ми розглянемо джерела променистої енергії.

    Джерела електромагнітного випромінювання

    Джерело електромагнітного випромінювання повинно забезпечувати вихід, який є одночасно інтенсивним і стабільним в цікавій області. Джерела електромагнітного випромінювання класифікуються як континуальні або лінійні джерела. У таблиці\(\PageIndex{1}\) наведено перелік деяких поширених джерел електромагнітного випромінювання.

    Таблиця\(\PageIndex{1}\). Загальні джерела електромагнітного випромінювання.
    джерело область довжини хвилі корисний для...
    Лампа Н 2 і Д 2 джерело континууму від 160—380 нм молекулярне поглинання
    вольфрамова лампа джерело континууму від 320—2400 нм молекулярне поглинання
    Дугова лампа Xe джерело континууму від 200—1000 нм молекулярна флуоресценція
    гнізда квітка джерело континууму від 0,4—20 мкм молекулярне поглинання
    глобарний джерело континууму від 1-40 мкм молекулярне поглинання
    ніхром дріт джерело континууму від 0,75—20 мкм молекулярне поглинання
    лампа з порожнистим катодом джерело лінії в УФ/Віс атомне поглинання
    Парова лампа Hg джерело лінії в УФ/Віс молекулярна флуоресценція
    лазер джерело лінії в УФ/ВІС/ІК атомне та молекулярне поглинання, флуоресценція та розсіювання

    Джерела континууму випромінюють випромінювання в широкому діапазоні довжин хвиль, з відносно плавними варіаціями інтенсивності (рис.\(\PageIndex{1}\)), і використовуються для молекулярного поглинання за допомогою UV/Vis та ІЧ-випромінювання. Більш детальна інформація про ці джерела знаходиться в розділах 13 і 16 відповідно.

    Спектр, що показує випромінювання від зеленого світлодіода.
    Малюнок\(\PageIndex{1}\). Спектр, що показує випромінювання від зеленого світлодіода, який забезпечує безперервне випромінювання в діапазоні довжин хвиль приблизно 530—640 нм.

    Лінійне джерело, з іншого боку, випромінює випромінювання на дискретних довжині хвиль, з широкими областями, що не показують ліній випромінювання (рис.\(\PageIndex{2}\)), і використовуються для атомної абсорбції, атомної та молекулярної флуоресценції та спектроскопії Рамана. Подальші відомості про лампах з порожнистим катодом включені в главу 9.

    Спектр випромінювання від лампи з порожнистим катодом Cu.
     
    Малюнок\(\PageIndex{2}\). Спектр випромінювання від лампи з порожнистим катодом Cu. Цей спектр складається з семи різних емісійних ліній (перші дві відрізняються лише на 0,4 нм і не вирішуються в масштабі, показаному в цьому спектрі). Кожна емісійна лінія має ширину приблизно 0,01 нм при 1⁄2 її максимальної інтенсивності.

    Лазерні джерела

    Важливим лінійним джерелом випромінювання є лазер, який є абревіатурою l light a посилення за s стимулюється e місія або випромінювання. Лазерне випромінювання монохроматичне з вузькою пропускною здатністю всього в кілька мікрометрів. Як припускає термін посилення, лазер забезпечує джерело випромінювання високої інтенсивності. Джерело цієї інтенсивності закладено в термін стимульоване випромінювання, на який ми зараз звернемо свою увагу.

    Як працює лазер

    Щоб зрозуміти, як працює лазер, нам потрібно розглянути чотири ключові ідеї: накачування, інверсія населення, стимульоване випромінювання та посилення світла.

    Накачування

    Емісія не може відбуватися, якщо ми спочатку не заповнимо вищі енергетичні рівні електронами, що ми можемо досягти, наприклад, поглинанням фотонів, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\). Емісія виникає, коли електрон у стані вищої енергії розслабляється назад до стану нижчої енергії, випромінюючи фотон з енергією, рівною різниці енергії між цими двома станами. Процес заселення збуджених станів електронами називається накачуванням і здійснюється за допомогою електричного розряду, пропущенням електричного струму через генераторне середовище, або поглинанням фотонів високої енергії. Мета прокачування - створення великої чисельності населення збуджених держав.

    Різниця між поглинанням і емісією.
    Малюнок\(\PageIndex{3}\). Загальна схема, що показує різницю між поглинанням (зліва) і емісією (праворуч).

    Інверсія населення

    Зазвичай більшість видів, які ми вивчаємо, перебувають у своєму наземному електронному стані з лише невеликою кількістю видів у збудженому електронному стані. Щоб лазер досяг високої інтенсивності випромінювання, необхідно створити ситуацію, в якій в збудженому стані більше видів, ніж у наземному стані, як показано на малюнку,\(\PageIndex{4}\) де неінвертована популяція має чотири види в наземному стані та два види в збудженому стані, і де перевернута популяція налічує чотири види в збудженому стані і два види в наземному стані.



    Ілюстрація неінвертованого населення та інвертованого населення.
    Малюнок\(\PageIndex{4}\). Ілюстрація (а) неінвертованої популяції та (б) інвертованої популяції. У неінвертованій популяції є чотири електрони з енергіями Е 1 і два електрона з енергіями Е 2; для перевернутої популяції є чотири електрони з енергіями Е 2 і два електрона з енергіями Е. 1.

    Стимульоване випромінювання та посилення світла

    \(\PageIndex{3}\)На малюнку показано випромінювання фотона після поглинання фотона рівної енергії. На кожен фотон, який поглинається, випромінюється не більше одного фотона, при цьому деякі види в збудженому стані розслабляються до наземного стану невипромінюючими шляхами. Це спонтанне випромінювання є випадковим процесом, а це означає, що терміни емісії і напрямок, в якому відбувається викид, є випадковими.

    Емісія в лазері, як зображено на малюнку\(\PageIndex{5}\), стимулюється фотоном з енергією, рівною енергії різниці енергії між збудженим станом і основним станом. Взаємодія вхідного фотона з збудженим станом призводить до негайного розслаблення збудженого стану до основного стану випромінюванням фотона. Вихідний фотон і випромінюваний фотон когерентні, з однаковими енергіями, однаковими напрямками та однаковими фазами. Оскільки випромінюються два когерентних фотони, амплітуда випромінюваного випромінювання подвоюється, як ми бачимо на малюнку\(\PageIndex{5}\); це те, що ми маємо на увазі під посиленням світла.



    Стимульована емісія.
    Малюнок\(\PageIndex{5}\). У стимульованому випромінюванні фотографія з енергетичним еквівалентом\(E_2 - E_1\) стимулює випромінювання фотона рівної енергії. Два фотони когерентні один з одним, виробляючи випромінювання з амплітудою, яка вдвічі більше, ніж у окремих фотонів.

    Лазерні системи

    Як припускають попередні розділи, створення інверсії популяції є обмежуючим фактором генерації випромінювання від лазера. Дворівнева система на малюнку\(\PageIndex{5}\), яка включає в себе єдиний збуджений стан і єдиний наземний стан, не може створити інверсію населення, оскільки, коли наземний стан і збуджений стан рівні в населенні, швидкість, з якою збуджені стани виробляються через накачування, дорівнює швидкості, з якою збуджені держави втрачаються через емісію. Для досягнення стимульованого випромінювання в лазерних системах використовують трирівневі або чотирирівневі системи, як зазначено на малюнку\(\PageIndex{6}\).


    Приклади трирівневої і чотирирівневої системи генерації випромінювання від лазера.
    Малюнок\(\PageIndex{6}\). Приклади (а) трирівневої системи і (б) чотирирівневої системи генерації випромінювання від лазера.

    У трирівневій системі прокачування використовується для заселення збуджених станів на другому рівні. З другого рівня ефективний шлях нерадіаційної релаксації заповнює збуджений стан на третьому рівні, який є досить стабільним, щоб забезпечити інверсію населення. У чотирирівневій системі інверсія населення досягається між третім і четвертим рівнем.

    види лазерів

    Лазери класифікуються за характером лазерного середовища: твердотільні кристали, гази, барвники та напівпровідники. Твердотільні лазери використовують кристалічний матеріал, такий як оксид алюмінію, який містить слідові кількості елемента, такого як хром або неодим, який служить фактичним середовищем для генерації. Газові лазери використовують атоми газової фази, іони або молекули в якості лазерного середовища. Середовище генерації в лазері на барвнику являє собою розчин молекули органічного барвника. Лазер барвника, як правило, здатний випромінювати світло в широкому діапазоні довжин хвиль, але налаштовується на певну довжину хвилі в цьому діапазоні. Нарешті, напівпровідниковий лазер використовує модифіковані світлодіоди в якості лазерного середовища.

    Таблиця\(\PageIndex{2}\). Приклади лазерів.
    категорія генераторне середовище довжин хвиль
    твердотільний рубін (0,05% Cr (III) в Al 2 O 3) 694,3 нм
      Nd: YAG (іон неодиму в ітрієвому алюмінієвому гранаті 1054 мм; 532 мм
    газ Він/Не 632,8 нм
      Ар + 514,5 мм, 488 мм
      N 2 37.1 нм
      СО 2 10,6 мкм
    барвник родамін 540—680 нм
      флуоресцеїн 530—560 нм
      кумарин 490—620 мм
    напівпровідниковий нітрид галію індію 405 нм
      алюміній галій фосфід індію 635 нм