- Stokes linii de Roman.
- Mecanismul de împrăștiere a lui Romanov în partea Stokes.
- Liniile anti-Stokes ale lui Roman.
4. Mecanismul de împrăștiere a limbii romane în partea anti-Stokes.
1. Linii Stokes ale lui Roman.
Să luăm în considerare căderea unui fascicul de lumină pe corpuri străine care conțin orice incluziuni și un mediu transparent bine curățat. Deși slabă, dar chiar și la frecvența maximă posibilă, lumina fasciculului este împrăștiată în toate direcțiile.
Împrăștierea are loc atât în gaze, cât și în corpuri lichide și solide. În gaze, împrăștierea are loc pe fluctuațiile și neomogenitățile mediului: atomi și molecule, lichide și cristale. În lumina împrăștiată există valuri de aceleași lungimi ca și în incident, dar de intensitate diferită, care depinde de lungimea de undă. Acest tip de împrăștiere este Rayleigh de numele fizicianului Rayleigh.
În plus față de împrăștierea luminii cu aceeași lungime de undă ca și lumina incidentă, există încă o luminiscență slabă, cu o lungime de undă mai mare decât cea incidentă, așa-numita împrăștiere Raman. Mecanismul acestui fenomen este explicat pe baza teoriei cuantice sau a teoriei undelor clasice. Descrierea cuantică a acestui fenomen pare foarte simplă.
Să presupunem că cuantumul radiațiilor sau, altfel, (pentru că, a) este împrăștiat pe o moleculă care este în stare de bază cu energie. egală, excitând această moleculă la una dintre tipurile posibile de oscilații pentru aceasta cu o frecvență rezonantă. Ca rezultat al împrăștierii, cuantumul va avea o energie mai mică. egală. Balanța energetică
Aceasta face posibilă calcularea nivelurilor de vibrație ale moleculei. Astfel, lumina împrăștiate are o frecvență mai mică decât frecvența luminii incidente. În consecință, liniile Raman sunt linii Stokes. Scattering este puțin probabil să aibă o moleculă excitat, deoarece linia cu o frecvență mai mare, t. E. Anti-Stokes, au o astfel de intensitate scăzută, care este de obicei invizibil. Intensitatea liniilor Raman se calculează pe baza probabilității tranzițiilor corespunzătoare pe unitatea de timp sau de energie, mai bine radiația interacțiune Hamiltoniene cu molecule adesea - funcțiile de undă ale celor trei stări ale moleculei: inițiale, intermediare (după absorbția unui foton) și final (după emisia unui foton).
2. Mecanismul împrăștierii lui Romanov în partea Stokes.
Mecanismul Wave Raman explicat prin reacția unei molecule capabilă de o vibrație rezonantă specifică cu o frecvență (sau mai multe astfel de fluctuații) cu incidentul și valurile împrăștiate. În cea mai simplă formă de vibrație a moleculei poate fi reprezentată ca o oscilație a unui punct material cu coordonatele x (punctul este unul dintre atomii moleculei, având o masă m), cu un coeficient R amortizare și forța elastică revenirea acestui punct în starea de echilibru. Sub influența unei forțe periodice externe, care apare ca rezultat al interacțiunii cu un câmp val aleator E, creat de mișcare oscilatorie, care este descrisă de ecuația
Pentru frecvența de rezonanță, soluția acestei ecuații este funcția
Prin energia de interacțiune a momentului indus al moleculei aE cu câmpul undei, este posibil să se calculeze forța F:
Câmpul undei aleatorii este descris de ecuație
unde u sunt vectorii de undă ai undelor incidente și împrăștiate, este coordonatele spațiului, iar a este coordonatele timpului.
Interacțiunea puternică a acestui val cu moleculă poate apărea numai în apropierea rezonanței, la o frecvență în domeniul infraroșu, care este frecvența de batere, astfel încât pentru a calcula forța F să folosească doar acea parte a expresiei generale care conține frecvența diferenței. Expresia generală are forma
Schimbarea în x implică o schimbare în polarizarea moleculei, care în câmpul electric al undei incidentului va duce la o modificare a momentului dipolului, dacă se elimină termenul asociat generării celei de a doua armonici.
Vibrațiile moleculei sunt efectuate cu o frecvență de batere.
Energia de interacțiune a momentului cu valul împrăștiat este egală cu câmpul undei împrăștiate, iar puterea undei împrăștiate este, respectiv,
unde bara de mai sus înseamnă medierea în timp. Am primit:
astfel pentru linia Stokes, și anume, valul împrăștiat este amplificat prin interacțiunea cu moleculele, în timp ce pentru linia anti-Stokes, adică pentru, și valul împrăștiat se estompează.
3. Liniile anti-Stokes ale lui Roman.
Dacă excităm spectrele romane cu lumină laser în cavitatea rezonatorului, nu numai liniile Stokes apar, ci și liniile anti-Stokes. Pentru ca o astfel de împrăștiere să apară, trebuie îndeplinite următoarele condiții.
Considerăm câmpul E al unui val constând dintr-un val incident cu o frecvență u de două valuri împrăștiate cu frecvențe u. , amplitudinile acestor valuri sunt notate, respectiv. Folosind indicatori identici pentru vectorii și fazele de unde, un câmp aleatoriu poate fi descris prin expresie
Rezolvarea ecuației (2) cu o expresie (4) pentru forța și (10) pentru câmpul de undă, obținem
La fel ca înainte, calculam puterile și, dat de moleculă, la două valuri împrăștiate - valurile Stokes și anti-Stokes:
În consecință, în condițiile normale ale experimentului, întotdeauna, fără condiții suplimentare, se conectează vectorii de undă. Adică împrăștierea lui Stokes nu are restricții în direcție.
Fig.1. Schema vectorială a împrăștierii Raman stimulată ca proces de patru fotoni :.
Ambele emisii, atât Stokes, cât și anti-Stokes, sunt îndreptate. Situația este diferită odată cu împrăștierea anti-Stokes, care este descrisă de expresia (13). Dacă condiția este îndeplinită, sosirea constantă a energiei în valul anti-Stokes va fi garantată numai dacă
Intensitatea liniei anti-Stokes atinge un maxim pentru; Ecuația (14) determină direcția emisiei sale.
Proprietatea surprinzătoare a radiației anti-Stokes rezultă din expresia (14) - emisia are loc numai într-o direcție determinată, și anume, la un unghi față de direcție, adică față de direcția luminii incidentate. Acest lucru este arătat în Fig. Vectorul val are o valoare egală cu
unde u este viteza luminii într-un mediu dat și indicele său de refracție. așa
unde, ca mai înainte, înseamnă frecvența de vibrație a moleculei. Introducem două diferențe suplimentare ale indicelui de refracție care caracterizează mediul:
Prin teorema Carnot din diagrama vectorială prezentată în figura 1, putem determina:
Folosind expresii (16) - (18) și, de asemenea, presupunem că
obținem o relație aproximativă pentru unghiuri mici:
Am obținut că lumina anti-Stokes este împrăștiată de-a lungul unui con, a cărui axă coincide cu direcția luminii incidente, iar a este unghiul dintre această direcție și direcția conului de generare. Pe un ecran montat perpendicular pe direcția fasciculului incident, este vizibil un cerc de culoare luminos.
Fig. 2. Imprastierea Raman forțată în nitrobenzen.
Se observă dispersarea în partea anti-Stokes sub forma unor inele concentrice care înconjoară fasciculul de lumină laser. Inelele ulterioare corespund împrăștierii cu o frecvență mai mare (lungime de undă mai mică). Distracția lui Stokes are direcții diferite, dar cea mai mare intensitate a luminii este în direcția fasciculului incident.
Experiența arată că, în cazul în care celula cu un lichid, de exemplu, nitrobenzen, plasat între oglinzi sferice într-un laser Fabry-Perot rubin, împrăștierea Stokes va avea loc în regiunea infraroșu. Distribuția nu este caracteristică unei anumite direcții; Aceasta este în principal direcția razei incidente, în timp ce împrăștierea anti-Stokes formează o serie de conuri de lumină cu o gamă de culori, de la roșu la albastru. Cea mai apropiată dintre acestea corespunde frecvenței, celelalte corespund frecvențelor etc. (figura 2).
4. Mecanismul de împrăștiere a limbii romane în partea anti-Stokes.
Din ecuația (14) și din fig. 1 arată că ramanovekogo procesul de împrăștiere în cavitatea laser este un proces cu patru fotoni in care doi fotoni de lumină laser dispar și, în schimb, două noi foton: Stokes și anti-Stokes. Cele patru feluri de mâncare, precum și să aibă o direcție bine definită. În timp ce într-adevăr direcție precis definit sunt fotonii anti-Stokes, fotonii Stokes sunt împrăștiate în direcții diferite, în principal 0 „Braz în direcția razei incidente. Zeiger din personalul propus, prin urmare, un mecanism în două etape pentru procesul Raman. In plus, fiecare pas este un proces cu doi fotoni,
Fig. Schema vectorială a împrăștierii Raman stimulate ca procese de două fotoni care implică fononi de diferite direcții și magnitudine.
Distracția lui Stokes are direcții diferite, în timp ce împrăștierea anti-Stokes are o singură direcție definită.
care implică doi fotoni și un foton. Fotonul corespunde vectorului de undă al valului, care rezultă din vibrațiile coerente ale moleculelor excitate de undele optice incidentate. Prima etapă constă în formarea unui foton Stokes și a unui fonon de la primul foton laser:
A doua etapă constă în formarea unui foton anti-Stokes de la un alt foton cu laser și fononul corespunzător:
1. Prima linie Stokes S1 detectează cea mai mare intensitate în direcția fasciculului laser. Pe măsură ce unghiul crește, intensitatea scade și nu indică un alt maxim în nici o direcție. (Apariția maximelor în liniile ulterioare Stokes S2 și S3, precum și maximele foarte slabe pe linia S1 are un motiv special, pe care nu o vom discuta aici).
2. respectiva primă linie Stokes S1 a primei linii anti-Stokes AS1 descoperă o intensitate puternică de vârf la un unghi de împrăștiere de aproximativ 3,0 ° Așa cum se vede, anti-Stokes scattering nu apare în corectarea luminii incidente, iar după vârf scade rapid la zero.
Ambele circumstanțe coincid cu procesul în două etape al tranziției forțate Raman.
O eroare în text? Selectați-l cu mouse-ul și faceți clic pe
Rezumate rezumate, cursuri, prezentări? Trimiteți-ne - descărcați-le aici!
A ajutat site-ul? Puneți-vă plăcerile!
Trimiteți-le prietenilor: