7.3. Лазеры

Лазер - устройство, преобразующее различные виды энергии в энергию оптического излучения.

В основе - процесс вынужденного излучения возбужденными атомами или молекулами.

Три вида переходов электрона

Создание инверсной населенности уровней (оптическая накачка)

Использование трех и четырех- уровневых переходов.

Один из уровней – метастабильный, на нем время жизни электрона ~10^3 вместо ~10^8с.

Схема работы твердотельного лазера

1 – Непрозрачное зеркало.

2 – Полупрозрачное зеркало.

Фотонная лавина отражается от зеркал (оптический резонатор) и, достигнув большой мощности, выходит через полупрозрачное зеркало.

Применение лазеров

1. Наука

   • спектроскопия

   • фотохимия

   • лазерное намагничивание и охлаждение.

2. Вооружение

   • лазерное оружие

   • лазерный прицел

   • лазерное наведение на цель.

3. Контроль качества микросхем оптическими методами.

4. Медицина.

5. Лазеры в быту

   • проигрыватели

   • указки, голография

   • освещение.

6. Обработка материалов в промышленности.

7.4. Учение о химическом процессе

Это третий уровень химического познания.

Н.Н.Семенов, русский ученый, (1896 – 1986 г.) - основоположник физической химии.

Основные параметры химического процесса:

1. Тепловой эффект реакции.

2. Химическое равновесие реакции – состояние, в котором скорости прямой и обратной реакций одинаковы.

3. Скорость протекания реакции – количество вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема.

1. Тепловой эффект реакции.

Герман Гесс, русский химик (1802–1850).

Закон Гесса: Тепловой эффект Q химической реакции зависит от состояния исходных веществ и продуктов реакции, но не зависит от промежуточных стадий реакции.

Q_i — теплоты образования конечных и исходных

веществ;

r_i — стехиометрические коэффициенты реакции.

2. Химическое равновесие реакции.

Химическое равновесие может быть смещено как в сторону прямой, так и в сторону обратной реакции.

Принцип подвижного равновесия Ле Шателье (французский ученый 1850–1936 г.):

Внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется.

Пример: при повышении температуры равновесие смещается в сторону реакции, идущей с поглощением тепла.

3. Скорость протекания реакции.

Факторы, определяющие скорость реакции:

1. Природа реагирующих веществ.

2. Площадь поверхности реагирования.

Для веществ в твердом состоянии скорость реакции прямо пропорциональна поверхности реагирующих веществ.

3. Концентрация веществ.

Закон действующих масс: скорость реакции жидких и газообразных веществ пропорциональна произведению их концентраций.

4. Температура.

Правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10^оС скорость реакции возрастает в 2- 4 раза.

Более точно: формула Аррениуса:

5. Катализатор.

Катализатор – активатор молекул реагента исходных химических веществ.

Катализ открыл в 1812 г. русский химик Кирхгоф К.С.

• гетерогенный катализ – жидкие или газообразные реагенты на поверхности твердого катализатора;

• гомогенный катализ - газы или жидкости;

• электрокатализ - на поверхности электрода;

• фотокатализ – под действием излучения.

Синтез аммиака: катализатор – железо; температура ~ 450С, давление 30-100 МПа.

Учет каталитического действия среды есть одно из проявлений неклассического подхода в химии.

Новейшие направления: химия экстремальных состояний

• Плазмохимия (в низкотемпературной плазме при температурах 1000-10000⁰С)

• Радиационная химия (элионные технологии в направленных электронных или ионных пучках)

• Химия высоких давлений и температур (деформируются электронные оболочки атомов, повышается реакционная способность веществ).