5. Оптические спектры газов, жидкостей и твердых тел

Спектры электромагнитного излучения в инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах возникают при квантовых переходах между уровнями энергии атомов и молекул газов, твердых и жидких тел. Спектры испускания соответствуют возможным квантовым переходам с верхних возбужденных уровней энергии на нижние уровни, а спектры поглощения возникают при переходах с нижних уровней на верхние. Для разряженных газов или паров атомные спектры имеют линейчатый характер, т.е. состоят из отдельных спектральных линий, каждая из которых соответствует переходу между двумя электронными уровнями энергии атома. Переходы между внешними электронами создают атомные спектры от инфракрасной до ультрафиолетовой области, а переходы между уровнями внутренних электронов атомов ответственны за рентгеновские спектры.

Более разнообразны молекулярные спектры, возникающие при переходе молекул из одного энергетического состояния молекул в другое состояние. В соответствии с тремя системами уровней энергии: электронной, колебательной и вращательной, молекулярные спектры состоят из совокупности электронных, колебательных и вращательных спектров. Электронные спектры чаще всего охватывают видимую и ультрафиолетовую области, а вращательные переходы относятся к микроволновой области. Для большинства молекул характерны полосатые спектры.

Спектры кристаллов обусловлены квантовыми переходами между уровнями энергии, принадлежащими как основному веществу кристалла, так и его примесям. Эти переходы могут быть связаны с изменением только энергетического состояния электронов (это соответствует электронным спектрам), или энергии колебательных состояний атомов кристалла (фононные спектры). Электронные уровни основного вещества образуют энергетические зоны: валентную зону и зону проводимости, разделенные запрещенной зоной. При межзонном возбуждении электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости, а в валентной зоне образуется дырка. Процесс их рекомбинации может сопровождаться излучением фотона или фонона, энергия которых близка к ширине запрещенной зоны. Вследствие большой ширины запрещенной зоны диэлектрических кристаллов (4 – 9 эВ) излучение в беспримесных и бездефектных кристаллах будет происходить в далекой ультрафиолетовой области.

Наряду с переходами между электронными уровнями атомов кристаллической решетки, в спектрах кристаллов появляются переходы между локальными уровнями дефектов и примесных центров кристаллической структуры. Эти дефектные и примесные центры являются центрами поглощения и излучения. Если переходы в атомах примеси происходят во внешних электронных оболочках, то возникают широкие полосы поглощения в видимой части спектра в форме окраски кристалла. Если электронные переходы происходят в хорошо экранированных внутренних оболочках примесных атомов (например, в атомах переходных и редкоземельных ионов), то ширина полос сильно уменьшается. Это обстоятельство нашло применение в твердотельных лазерах видимого диапазона, на диэлектрических материалах, содержащих примесные центры.