Оптичні властивості твердих тіл

 

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 

Кафедра "Прикладної екології і охорони довкілля"

 

 

 

 

 

 

Курсова робота

по курсу "Фізика твердого тіла"

Оптичні властивості  твердих тіл 

 

 

 

 

 

 

Виконала:

Студент групи

 

Перевірив:

Професор                                                                                          В. В. Шаповалов

 

 

 

 

Донецьк, 2010

 

Реферат

Записка пояснення - 35 ст., малюнків - 11, джерел - 6.

Мета- вивчення оптичних властивостей твердих тіл

У цій роботі розглянуто поглинання світла в кристалах, люмінесценція  твердих тіл, фотолюмінесценція, люмінофори, вимушене випромінювання, лазер, схема  рубінового лазера; описані основні  електронні переходи при поглинанні світла в кристалах, приведені спектри люмінесценції деяких люмінофорів.

СВІТЛО, ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ, ЛЮМІНОФОРИ, ЛАЗЕР, СПЕКТР ПОГЛИНАННЯ.

 

The abstract

Explanatory note - 35 items, drawings - 11, sources – 6

Aim - studying of optical properties of firm bodies.

In the given work light absorption in crystals, a luminescence of firm bodies, a photoluminescence, the phosphors, the compelled radiation, the laser, the scheme of the ruby laser is considered; the basic electronic transitions at light absorption in crystals are described, spectra of a luminescence of some phosphors are resulted.

LIGHT, LUMINESCENCE, PHOSPHORS, THE LASER, ABSORPTION SPECTRUM.

 

ЗМІСТ

Введення.......................................................................................................................4

1. Поглинання, віддзеркалення  і пропускання світла в різних  середовищах.................................................................................................................6

2. Поглинання  світла в кристалах..............................................................................8

3. Люмінесценція  твердих тіл...................................................................................13

4. Лазери.....................................................................................................................28

5. Спектроскопія розсіяного  світла..........................................................................31

Висновки.....................................................................................................................34

Список літератури.....................................................................................................35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕННЯ

 

До фізичних властивостей твердих тіл відносяться  механічні, теплові, електричні, магнітні і оптичні властивості. Їх вивчають, спостерігаючи, як поводиться зразок при  зміні температури, тиску або  об'єму, в умовах механічної напруги, електричних і магнітних полів, температурних градієнтів, а також під впливом різних випромінювань - світла, рентгенівських променів, пучків електронів, нейтронів і тому подібне. Значна частина лабораторного устаткування, необхідна для вивчення цих властивостей, сама складається з твердотілих пристроїв.

Світло, проходячи  через будь-яке тіло, в тій або  іншій мірі поглинається. У міру поширення світлової хвилі в  речовині її інтенсивність поступово  зменшується. Це явище дістало назву  поглинання світла, або адсорбції світла. Поглинання світла пов'язане з перетворенням енергії електромагнітного поля світлової хвилі в інші види енергії.

Усі тіла окрім  теплового і рівноважного випромінювання в результаті різних зовнішніх дій  даютьизбыточное випромінювання, які не визначаються температурою тіла. Усі види світінь, збуджувані за рахунок зовнішнього джерела енергії, називаються люмінесценцією.

Люмінесценція обумовлена коливаннями порівняно  невеликого числа атомів або молекул  речовини, які під впливом джерела енергії переходять в збуджений стан. Випромінювання виникає в результаті переходу атомів або молекул з цих станів в основний не збуджений або менш збуджений стан.

Фотохімічні перетворення - це перетворення під впливом світла. Енергія світла витрачається на розкладання складних речовин на простіші речовини.

Фотолюмінесценція широко використовується в техніці. Так, серед полікристалічних люмінофорів, що випускаються промисловістю у  всьому світі, фотолюмінофори складають  найбільшу долю (до 90%). Це пов'язано з тим, що 10% усієї електроенергії, що виробляється у світі, йде на меті освітлення; застосування фотолюмінофорів, використовуваних в люмінесцентних лампах, дозволяє найбільш єкономно витрачати цю енергію.

 

 

 

 

1 ПОГЛИНАННЯ, ВІДДЗЕРКАЛЕННЯ І ПРОПУСКАННЯ СВІТЛА В РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

При падінні  випромінювання на тіло частина світу  відбивається, а інша проходить всередину  середовища. У середовищі частина  випромінювання може поглинутися або  розсіятися (за наявності в ній  неоднородностей), а інша частина пройти через неї. Поглинене випромінювання перетворюється на тепло або випромінюється з іншою довжиною хвилі (фотолюмінесценція), мал. 1.

Мал. 1 Схема, що ілюструє оптичні процеси, що відбуваються на поверхні середовища і усередині неї

Як випливає з курсу загальної фізики, електромагнітна хвиля, потрапляючи в однорідний діелектрик, викликає в нім вимушені коливання пов'язаних електричних зарядів, які стають джерелом вторинних електромагнітних хвиль. Інтерферує з первинною хвилею, ці хвилі створюють результуючу заломлену хвилю, яка поширюється в середовищі з фазовою швидкістю в раз меншої швидкості світла у вакуумі ( - абсолютний показник заломлення середовища).

Вторинні хвилі  від поверхневого шару виходять і  назовні зразка. Складаючись, вони утворюють відбиту хвилю.

Розрахунок  коефіцієнта віддзеркалення залежно  від показника заломлення плоских  діелектриків, що граничать, був уперше виконаний 

Френелем і  потім доповнений рішенням рівнянь  Максвелла для межі розділу двох середовищ, що мають різну діелектричну проникність.

 

Якщо електромагнітна  хвиля падає перпендикулярно  межі розділу двох середовищ, то коефіцієнт віддзеркалення розраховується по формулі

,

де  - відносний показник заломлення.

 

В цілому коефіцієнт віддзеркалення залежить від кута падіння, залишаючись мінімальним при нормальному падінні світла.

Розсіяння викликане  оптичними неоднородностями середовища (сторонніми частками) або флуктуаціями щільності речовини, відповідно показника  заломлення (таке розсіяння зазвичай називають молекулярним).

Розсіяння на неоднородностях  середовища відбувається із-за віддзеркалення, заломлення і дифракції на сторонніх  включеннях. Якщо розмір розсіюючих часток критично малий в порівнянні з  довжиною хвилі, то розсіяння практично  відсутнє (наприклад, випромінювання оптичного діапазону не розсіюється окремими атомами). Із збільшенням розміру часток (при переході від атомів до молекул) розсіяння сильно росте і істотно залежить від довжини хвилі.

Згідно із законом  Рэлея при молекулярному розсіянні  в газі інтенсивність розсіяного світла прямо пропорційна квадрату об'єму частки і обернено пропорційна до четвертої міри довжини хвилі. Проте, вже для часток з радіусом приблизно в 5 разів більше довжини хвилі інтенсивність розсіяння перестає залежати від частоти випромінювання.

2 ПОГЛИНАННЯ  СВІТЛА В КРИСТАЛАХ

 

Інтенсивність світла, що проходить через речовину, поступово зменшується. Поглинання електромагнітного випромінювання твердим тілом здійснюється різними  шляхами:

1. енергія випромінювання витрачається на переклад електронів у вищий енергетичний стан;

 

2. енергія електромагнітного поля передається кристалічній решітці і перетворюється на тепло.

 

 

Можливі переходи електронів в кристалах під дією світла показані на мал. 1.2.2, а, де ЕBCB - енергія, що відповідає нижньому краю зони провідності; EBVB - верхньому краю валентної зони. Перехід 1 призводить до появи електрона в зоні провідності і дірки у валентній зоні, він можливий при енергії фотонів hν≥EBC B - EBVB і відповідає власному (фундаментальному) поглинанню. У момент виникнення створені світлом носії заряду можуть і не знаходитися в тепловій рівновазі з кристалічною решіткою.

Проте внаслідок  взаємодії з нею ці носії швидко передають гратам свою надмірну енергію (цей процес називається термалізацією), тому розподіл по енергіях надмірних і основних носіїв заряду буде однаковим.

Мал. 2. Основні  електронні переходи при поглинанні світла в кристалах (а), прямі і  непрямі міжзонні переходи (б)

При поглинанні електроном фотона повинні виконуватися закони збереження енергії і імпульсу, тому наочніше поглинання світла описується за допомогою схеми, що враховує зміну енергії Е і імпульсу p. На рис.2, показана залежність енергії електрона в зоні провідності для певного напряму в кристалі (вгорі) і дірки у валентній зоні (внизу) від імпульсу. ).

При поглинанні світла кристалічним твердим тілом  можливо і таке збудження електрона  валентної зони, при якому він  не переходить в зону провідності, а  утворює з діркою пов'язану кулонівськими  силами систему (см рис.2 а, перехід 2; енергія  системи позначена рисками поблизу зони провідності). Така система називається екситоном.

У припущенні слабкої  взаємодії, коли розміри екситона великі в порівнянні з постійних грат кристала, екситон можна представити  як електрон і дірку, пов'язані кулонівськими силами і що повільно рухаються по великих орбітах відносно їх центру мас. У такій моделі екситон поводиться аналогічно атому позитронію і має водородоподобную схему розташування енергетичних рівнів (квазічастинка, передбачена в 1931 р. Я.И.Френкелем і уперше зафіксована в спектрах поглинання кристалів закису міді Е.Ф.Гроссом в 1951 р.).

Ев_эксB= Eв_0B+

= Eв_0B+   (1.2.4)

де М - повна  маса екситона, рівна сумі мас електрона  і дірки; E0= ΔE - Ex, (Ex - енергія зв'язку екситона), k - його хвилеве число.

 

При енергії фотонів hν < Eв_CB - Eв_VB можуть відбуватися переходи електронів з локальних рівнів домішок або власних дефектів в зону провідності (мал. 2 а, перехід 3) або з валентної зони на ці рівні (перехід 4). Якщо кристали містять майже в рівних і досить великих кількостях як донорні, так і акцепторні дефекти, то можлива ситуація, коли донори і акцептори знаходитимуться недалеко один від одного (на відстані менше або близько 10 нм).

В цьому випадку  матиме місце перекриття електронних  орбіт (точніше, хвилевих функцій) донора і акцептора, які утворюють так звані донорно-акцепторні пари (ДАП). При поглинанні кванта світла можливий перехід електрона з акцепторного на вільний донорний рівень ДАП (перехід 5). Залежність кулонівської взаємодії між донором і акцептором від міжатомної відстані між ними задає цілий ряд значень енергії такого поглинання :

hν = ΔE - Eв_dB- Eв_AB+

  (1.2.5)

де ΔE - ширина забороненої зони; Ed і EA - енергії іонізації донора і акцептора відповідно; q - заряд електрона (випадок одноразово заряджених дефектів); r - відстань між центрами ДАП; e - статична діелектрична проникність cреды.

Відстань між  лініями поглинання в ДАП визначається, таким чином, дискретними положеннями  дефектів в кристалічній решітці.

Переходи 1, 3, 4 змінюють електропровідність кристалів, на цьому явищі внутрішнього фотоефекту заснована робота багатьох фотоприймачів. При внутрішньоцентрових переходах 6 електрон не звільняється, і процес поглинання світла не призводить до зміни електропровідності. Те ж відноситься до поглинання екситона, переходу в ДАП і поглинання вільними носіями заряду (перехід 7), характернішому для металів.

Якщо під  дією світла здійснюються переходи за участю точкових дефектів (переходи 3-5), то закон збереження імпульсу може виконуватися за участю самих дефектів.

Експериментально  встановлено, що зменшення потоку випромінювання при його поглинанні в середовищі завтовшки dl пропорційно величинам  пройденого шляху і потоку излученияB, що падає

dФ = -aФdl,                     (1.2.6)

де a - коефіцієнт пропорційності, що дістав назву показника поглинання (не плутати з коефіцієнтом поглинання, який є відношенням потоку випромінювання, поглиненого тілом, до потоку випромінювання, що впав на це тіло).

Розділяючи  змінні і інтегруючи, отримаємо закон  Бугéра -Лáмберта

Ф = Фв_0B

встановлений  експериментально в 1729 р. П. Бугером  і теоретично обгрунтований в 1760 р. И.Ламбертом. При маємо Ф(l)=Фв_0B/e (Фв_0B - потік випромінювання, що входить в кристал), тобто показник поглинання є величиною, зворотною відстані, на якій потік випромінювання зменшується приблизно в 2,7 разу.