СПЕКТРОСКОПИЯ

Раздел физики, в котором изучаются спектры испускания или поглощения электро-магн. волн веществом. Науч. базой совр. С. служит квантово-механич. теория, позволяющая на основе Шрёдингера уравнения вычислить энергетич. уровни и волновые ф-ции стационарных состояний, квантовые переходы между этими состояниями. Методами С. решаются разнообразные задачи: экспериментально проверяются теории уровней энергии и квантовых переходов; исследуются элементарные процессы возбуждения атомов, молекул и др. квантовых систем; изучается влияние внеш. условий (характеризуемых температурой, давлением, на-пряжённостями электрич. и магн. полей и т. п.) на частоту, форму и интенсивность спектральных линий и др. Важнейшие области применения С.- спектральный анализ и астрофизика. 

С. классифицируют по разл. признакам. Напр., по диапазонам длин волн электро-магн. излучения выделяют радиоспектроскопию, С. оптическую (ИК, видимого и УФ диапазонов), рентгеновскую, гамма-С.; по типам исследуемых объектов - С. атомную, молекулярную, ядерную, С. кристаллов, жидкостей, плазмы. Атомная С. изучает спектры атомов в разреженных газах. В атомной С. подробно изучены уровни энергии и волновые ф-ции одноэлектрон-ного атома водорода и одноэлектронных ионов, образующие хорошо известные серии спектральных линий (серии Лаймана, Бальмера, Пашена, Брэкета). Эти серии лежат в ИК, видимой и УФ областях спектра. Для двух- и многоэлектронных атомов и ионов теория спектров усложняется из-за необходимости учёта межэлектронных взаимодействий в атоме. Число линий в спектрах сложных атомов достигает десятков тысяч, их интерпретация встречает большие трудности. Относительно просто интерпретируются спектральные линии, образуемые в результате переходов внешнего (валентного, или «оптического») электрона, движущегося в поле ионного остова атома, а также рентгеновские спектры поглощения и испускания, в образовании которых участвуют электроны внутр. оболочек атома.

В электронике атомная С. широко применяется для спектрального анализа материалов, контроля состояния газовых технологии, сред (остаточных газов в вакууме, газов в газотранспортных и плазменных установках для выращивания тонких плёнок или травления материалов и т. п.).

Молекулярная С. изучает спектры молекул в газе. По сравнению с атомной С. в молекулярной С. проявляются новые формы движения - внутримолекулярные колебания атомов и вращение молекул как целого, обусловливающие появление соответственно вращат. и колебат. спектров. Эти спектры лежат в ИК диапазоне. Однако наличие таких форм движения существенно изменяет и оптич. спектры молекул, обусловленные электронными переходами, поскольку последние также сопровождаются вращат. и колебат. переходами. В результате в спектрах молекул вместо узких спектральных линий наблюдаются широкие полосы. Относительно слабо изменяются рентгеновские спектры атомов, составляющих молекулу; в них появляются хим. сдвиги.

Ядерная С. изучает явления, связанные с поглощением и испусканием гамма-квантов при переходах между уровнями энергии ядер.

В С. кристаллов изучаются переходы между состояниями электронов, составляющих зоны энергии, и между колебат. состояниями (фононные спектры). Оптич. спектры кристаллов, обусловленные межзонными переходами электронов, интерпретируются на основе представлений о зонах разрешённых и запрещённых энергий. Пока величина кванта света п<о меньше ширины запрещённой зоны Сц> кристалл остаётся прозрачным; его слабое поглощение в этом диапазоне обусловлено примесями и др. дефектами, создающими малую плотность уровней энергии в запрещённой зоне. При дальнейшем росте псо поглощение постепенно уменьшается, однако возникают новые пики в спектрах поглощения, обусловленные переходами электронов из внутр. оболочек атомов кристалла (рентгеновские спектры поглощения кристаллов). Межзонные переходы электронов в кристаллах используются в приборах ПП оптоэлектроники (светодиодах, фотоэлементах, инжек-ционных лазерах и др.), переходы между уровнями энергии примесных атомов - в твердотельных лазерах. С. кристаллов широко применяется для диагностики состава примесей и др. дефектов в кристаллах.

С. в радиодиапазоне часто специфична тем, что поглощение электро-магн. квантов фиксированной частоты наступает при некотором значении внеш. магн. поля, соответствующем резонансу (см., например, Ядерный магнитный резонанс. Электронный парамагнитный резонанс).В электронике широко применяется фотоэлектронная С., в которой измеряется энергия фотоэлектронов, Оже-С., основанная на измерении энергии Оже-электронов (см. Оже-эффект, Оже-спектрометр); измерение массы атомных частиц в хим. анализе составляет предмет масс-С.; измерение энергии протонов, обратно рассеянных от твёрдой мишени (С. обратного резерфордовского рассеяния), используется для исследования распределения примесей по глубине.

Возможности С. значительно расширились с появлением методов, основанных на использовании лазерного излучения (лазерной С.). Осн. направления лазерной С.: качеств, и количеств, анализ следов примесей в веществе (атомно-флуо-ресцентный, атомно-ионизац., абсорбц. анализ и др.), обеспечивающий относит, предел обнаружения 10 -10 , что на 3-4 порядка ниже, чем при использовании традиц. методов С.; дистанц. зондирование атмосферы с целью контроля загрязнения окружающей среды (см. Лидар); нелинейная С., охватывающая совокупность методов исследования строения вещества, основанных на использовании таких нелинейных оптич. явлений, как генерация оптич. гармоник, многофотонные процессы, самоиндуцир. прозрачность (см. Нелинейная оптика).

Copyright © 2002 - 2017 Ravnopravie.kharkov.ua. All Rights Reserved.