Спектральные методы исследования твердых тел

Спектральная картина представляет собой зависимость интенсивности поглощения или испускания (по оси Y) от энергии (по оси X). По оси X откладывают частоту f или длину волны  соответствующего излучения.

В основе спектральных методов лежит один и тот же принцип – при определенных условиях вещества способны поглощать или испускать различные виды энергии.

Энергия, частота и длина волны излучения связаны соотношением

,

h = 6,6  10^-34 Дж/c – постоянная Планка

с = 2,998  10¹⁰ см/с – скорость света

f – частота в Гц или колебаниях в секунду

 - длина волны в см.

Е – энергия в Дж или Дж/моль.

Для удобства перевода значений энергии Е в различные единицы целесообразно привести некоторые соотношения.

(f в с^-1)

Дж/моль ( в см)

( в см)

(кДж/моль)

Ниже на рис. приведена шкала соответствия электромагнитных волн и областей применения спектральных методов.

Спектр электромагнитных волн перекрывает широкую область частот , длин волн и, следовательно энергий.

Выбор той или иной области спектра зависит от идущих в веществах процессов и отвечающих им изменений энергий.

ИК – спектроскопия.

Аналогична КР-спектроскопии. Представляется графиком поглощенного излучения от частоты или волнового числа. ИК – спектроскопия применяется для идентификации функциональных групп. Интенсивные полосы отвечают колебаниям группировок с ковалентным типом связи.

Спектроскопия видимого излучения и уф – спектроскопия.

Интервал съемки 10² – 10³ кДж/моль (10⁴ – 10⁵ см^-1). Эти значения отвечают ближней ИК – области, видимой области и ближней УФ – области спектра электромагнитных волн.

При протекании переходов электронов из одного состояния в другое возникать 4 механизма:

1. Перемещение электрона с локализованной орбитали одного из атомов на другую локализованную орбиталь того же атома с более высокой энергией. К переходам этого типа относятся:

а) d-d и f-f – переходы в соединениях переходных металлов

б) переходы электронов внешних энергетических уровней в соединениях тяжелых металлов

в) переходы связанные с наличием дефектов кристаллической решетки на которых локализованы электроны и дырки.

г) переходы с участием, например атомов серебра в фотохромных стеклах. Под действием света коллоидные частицы серебра осаждаются в виде самостоятельной фазы, в которой происходят переходы в восстановленных атомах серебра.

2. Перемещение электрона с локализованной орбитали одного из атомов на локализованную орбиталь соседнего атома с более высокой энергией.

3. 

4. Перемещение электрона с локализованной орбитали одного из атомов в энергетическую зону (зону проводимости) общую для всего твердого тела.

5. Перемещение электрона из одной энергетической зоны (валентная зона) в другую, характеризующуюся более высокой энергией (зона проводимости).

Величина запрещенной зоны может быть определена при помощи спектроскопических методов. Ширина запрещенной зоны типичных полупроводников составляет 1 эВ (96кДж/моль), что соответствует границе видимой и УФ – областей спектра электромагнитных волн.

Спектроскопия видимого излучения и УФ – спектроскопия широко применяются для изучения структуры областей ближнего порядка.