| 8406202 9216 1210 912 1. В спектре рассеянного света из за взаимодействия света с колебаниями решетки, при к рых изменяется поляризуемость кристалла, наряду с линией исходной частоты V0 появляются линии, сдвинутые по обе стороны от нее на частоту решеточных колебаний, что соответствует рождению или поглощению фононов (см Комбинационное рассеяние света, рис 1). Акустические решеточные колебания приводят к тому, что при рассеянии света на тепловых флуктуациях у центральной (не смещенной) релеевской линии также появляются боковые спутники, обусловленные рассеянием на распространяющихся флуктуациях плотности (см. Рассеяние света)
Рис 1 Спектр комбинационного рассеяния кристалла дигидрофосфата калия (KDP) при разных температурах По оси абс цисс отложено отношение сдвига частоты (v-Vo) к скорости света
Большинство неметаллич. кристал нов за инфракрасной областью в определенном интервале частот прозрачно Поглощение возникает снова, когда энергия фотона становится достаточно велика, чтобы вызвать переходы электронов из верхней заполненной валентной зоны в нижнюю часть зоны проводимости кристалла.
Спектр этого интенсивного собственного поглощения света отображает структуру электронных энергетических зон кристалла и простирается дальше в видимый диапазон, по мере того как "включаются" переходы между др. энергетическими зонами. Положение края собственного поглощения определяет окраску идеального кристалла (без дефектов). Для полупроводников длинноволновая граница области собств. поглощения лежит в ближней инфракрасной области, для ионных кристаллов - R ближней ультрафиолетовой области. Вклад в собственное поглощение кристалла наряду с прямы ми переходами электронов дают и непрямые переходы, при к-рых дополнительно рождаются или поглощаются фононы. Переходы электронов из зоны проводимости в валентные зоны могут Сопровождаться рекомбинационным излучением.
Электрон проводимости и дырка благодаря электростатич. притяжению могут образовать связанное состояние - э к с и т о н. Спектр экситонов может варьироваться от водородоподобных серий до широких полос. Линии экситонного поглощения лежат у длинноволновой границы собственного поглощения кристалла (рис. 2). Экситоны ответственны за электронные спектры поглощения молекулярных кристаллов. Известна также экситонная люминесценция.
Рис. 2. Длинноволновый участок собственного поглощения кристалла KBr при температуре жидкого азота. Первые два интенсивных пика со стороны низких энергий соответствуют экситонам. Область собственного поглощения начинается за вторым пиком.
Энергии электронных переходов между локальными уровнями дефектных центров попадают обычно в область прозрачности идеального кристалла, благодаря чему они часто обусловливают окраску кристалла. Напр., в щёлочно-галоидных кристаллах возбуждение электрона, локализованного в анионной вакансии (F-центр окраски), приводит к характеристич. окраске кристалла. Различные примесные ионы (напр., Tl в KCl) образуют центры люминесценции в кристаллофосфорах. Они дают электронно-колебательные (в и б р о н н ы е) спектры. Если электрон-фононное (вибронное) взаимодействие в дефектном центре слабое, то в спектре появляется интенсивная узкая бесфононная линия (оптич. аналог линии Мессбауэра эффекта), к к-рой примыкает "фононное крыло" со структурой, отражающей особенности динамики кристалла с примесью
(рис. 3). С ростом вибронного взаимодействия интенсивность бесфононной линии падает. Сильная вибронная связь приводит к широким бесструктурным полосам. Поскольку часть энергии возбуждения в процессе колебательной релаксации до излучения рассеивается в остальном кристалле, максимум полосы люминесценции лежит по длинноволновую сторону от полосы поглощения (правило С т о к с а). Иногда к моменту испускания светового кванта в центре не успевает установиться равновесное распределение по колебательным подуровням, при этом возможна "горячая" люминесценция.
Рис. 3. Бесфононная линия и фононное крыло в спектре поглощения примесной молекулы NO2-в KI при температуре жидкого гелия.
Если кристалл содержит в качестве примесей атомы или ионы переходных или редкоземельных элементов, с недостроенными f- или d-оболочками, то можно наблюдать дискретные спектральные линии, соответствующие переходам между подуровнями, возникающими в результате расщепления атомных уровней внутрикристаллическим электрич. полем (см. Кристаллическое поле, Квантовый усилитель).
Лит. см. при ст. Спектроскопия кристаллов. H. H. Кристофелъ.
СПЕКТРЫ ОПТИЧЕСКИЕ, спектры электромагнитного излучения в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах шкалы электромагнитных волн. С. о. разделяют на спектры испускания (наз. также спектрами излучения, или эмиссионными спектрами), спектры поглощения, рассеяния и отражения. С. о. испускания получаются от источников света разложением их излучения по длинам волн [$\lambda$]спектральными приборами и характеризуются функцией f([$\lambda$]), дающей распределение энергии испускаемого света в зависимости от [$\lambda$]. С. о. поглощения (абсорбции), рассеяния и отражения обычно получаются при прохождении света через вещество с последующим его разложением по [$\lambda$]. Эти типы С. о. характеризуются долей энергии света каждой длины волны соответственно поглощённой [к([$\lambda$])], рассеянной [[$\alpha$]([$\lambda$])] и отражённой [R([$\lambda$])]. При рассеянии монохроматического света длины волны [$\lambda$]o спектр комбинационного рассеяния света характеризуется распределением энергии рассеянного света по изменённым длинам волн [$\lambda$] <> [$\lambda$]o [f'([$\lambda$])]. Т. o., любой спектр характеризуется нек-рой функцией f([$\lambda$]), дающей распределение энергии (абсолютной или относительной) по длинам волн; при этом энергию рассчитывают на нек-рый интервал [$\lambda$]. От функции f([$\lambda$]) можно перейти к функции [$\varphi$]([$\nu$]), дающей распределение энергии по частотам [$\nu$] = c/[$\lambda$] (с - скорость света); тогда энергия рассчитывается на единицу интервала [$\nu$].
С. о. регистрируют с помощью фотографич. и фотоэлектрич. методов, применяют также счётчики фотонов для ультрафиолетовой области, термоэлементы и болометры в инфракрасной области и т. д. В видимой области С. о. можно наблюдать визуально.
По виду С. о. разделяют на линейчатые, состоящие из отдельных спектральных линий, соответствующих дискретным значениям [$\lambda$], полосатые, состоящие из отдельных полос, каждая из к-рых охватывает нек-рый интервал [$\lambda$], и сплошные (непрерывные), охватывающие большой диапазон [$\lambda$]. Строго говоря, отдельная спектральная линия также не соответствует вполне определённому значению [$\lambda$], а всегда имеет конечную ширину, характеризуемую узким интервалом [$\lambda$] (см. Ширина спектральных линий).
С. о. возникают при квантовых переходах между уровнями энергии атомов, молекул, а также твёрдых и жидких тел. С. о. испускания соответствуют возможным квантовым переходам с верхних уровней энергии на нижние, спектры поглощения - с нижних уровней энергии на верхние.
Вид С. о. зависит от состояния вещества. Если при заданной темп-ре вещество находится в состоянии термодинам ич. равновесия с излучением (см. Тепловое излучение), оно испускает сплошной спектр, распределение энергии в к-ром по [$\lambda$] (или [$\nu$]) даётся Планка законом излучения. Обычно термодинамич. равновесие вещества с излучением отсутствует и С. о. могут иметь самый различный вид. В частности, для спектров атомов характерны линейчатые спектры, возникающие при квантовых переходах между электронными уровнями энергии (см. Атомные спектры), для простейших молекул типичны полосатые спектры, возникающие при переходах между электронными, колебательными и вращательными уровнями энергии (см. Молекулярные спектры).
Для С. о. различным диапазонам [$\lambda$] и, следовательно, [$\nu$] соответствуют различные энергии фотонов hv = [$\varepsilon$]1 - [$\varepsilon$]2 (где h - Планка постоянная, [$\varepsilon$]1и [$\varepsilon$]2 - энергии уровней, между к-рыми происходит переход). В табл. приведены для 3 диапазонов электромагнитных волн примерные интервалы длин волн [$\lambda$], частот [$\nu$]
Диапазон
[$\lambda$], мкм
[$\nu$], сек -1
[$\nu$]/с,см-1
hv, эв
Т, К
Инфракрасное излучение...
103-0,74
3,01011--4,0· 1014
10-1, 35*104
1,25-10-3-
- 1,7
14-2,0*104
Видимое излучение ...
0,74-0,40
4*1014--7,5*1014
1,35*104--2,5* 104
1,7-3,1
2.0*104--3,6*104
Ультрафиолетовое излучение ...
0,40-0,001
7,5*1014--3,0*1015
2,5*104--106
3,1-125
3,6*104--1,4*106
волновых чисел [$\nu$]/c, энергий фотонов hv, а также темп-р T, характеризующих энергию фотонов согласно соотношению kT = hv (k - Больцмана постоянная). С. о. широко применяютс |
