Устаревшая ед частотного интервала. Названа в честь франц физика Ф. Савара (F. Savart). 1 С
| Вид материала | Документы |
- Синдром удлинённого интервала qt и проблемы безопасности психофармакотерапии, 109.2kb.
- Товариство з обмеженою, 119.57kb.
- Н. Г. Чернышевского кафедра теоретической и математической физики рабочая программа, 152.3kb.
- Программа по физике для 10-11 классов общеобразовательных, 75.87kb.
- Татьяна Евгеньевна Зыкова. Сюных лет ему была интересна литература, 95.59kb.
- Электронная газета в рамках «Дня науки», посвященного Году российской космонавтики, 85.16kb.
- Лекция Логические основы компьютеров , 369.25kb.
- Игра ) Имя известного ученого, в честь которого названа самая популярная программа, 21.91kb.
- Физика биологических систем, 39.45kb.
- Динамика культурных процессов в современной России, 39.45kb.
С. к. исследует структуру спектр. полос и линий, их сдвиг и уширение, поляризацию, временные и др. спектр. хар-ки спектров кристаллов и влияние на них внеш. воздействии: электрич. и магн. полей (эффекты Штарка и Зеемана), сжатия и деформаций, темп-ры и др.
С. к. позволяет получать информацию о системе уровней энергии кристалла, о механизмах вз-ствия света с в-вом, о переносе и преобразовании энергии возбуждения в кристалле, фотохим. реакциях и фотопроводимости. С помощью С. к. можно также получить данные о структуре крист. решётки, о хар-ре дефектов, в частности примесных центров в кристаллах. Она исследует влияние поверхности кристалла на его спектр, многофотонные процессы при лазерном возбуждении и нелинейные эффекты в кристаллах (см. Лазерная спектроскопия, Нелинейная спектроскопия). В С. к. широко используется теория групп, к-рая позволяет учесть св-ва симметрии кристаллов, т. е. установить симметрию волновых функций и найти отбора правила для квант. переходов в кристалле.
На данных С. к. основаны применения кристаллов в качестве люминофоров (в частности, в квант. электронике), сцинтилляторов, преобразователей света, оптических материалов, ячеек для записи информации (см. Кристаллофосфоры). Методы С. к. используются в спектральном анализе.
• См. лит. при ст. ^ Спектры кристаллов.
Э. А. Свириденков.
СПЕКТРОФОТОМЕТР, спектральный прибор, к-рый осуществляет фотометрирование — сравнение измеряемого потока излучения с эталонным (референтным) для непрерывного или дискр. ряда длин волн излучения. С. обеспечивает отсчёт или автоматич. регистрацию результатов сравнения в соответствующей двумерной шкале: абсцисса — длина волны, ордината — результат фотометрирования на этой длине волны. С. наз. также аналитич. приборы для определения концентрации элементов и в-в в пробе путём сравнения интенсивностей спектр. линий или полос испускания или поглощения. Осн. типы С. описаны в ст. Спектральные приборы.
СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ, область физики и техники, объединяющая разделы спектрометрии, фотометрии и метрологии и разрабатывающая системы методов и приборов для количеств. измерений спектр. коэфф. поглощения, отражения, излучения, спектр. яркости как хар-к сред, покрытий, поверхностей, излучателей. Приборы, используемые в С., наз. спектрофотометрами (см. также Спектральные приборы).
^ СПЕКТРЫ ИСПУСКАНИЯ, спектры оптические, испускаемые источниками света.
СПЕКТРЫ КРИСТАЛЛОВ оптические, спектры поглощения, люминесценции,
711
фотопроводимости, комбинационного рассеяния света (КРС) и отражения, возникающие при вз-ствии света с в-вом в крист. состоянии и лежащие в оптич. диапазоне длин волн (от далёкой ИК до УФ области). С. к. обусловлены квантовыми переходами между уровнями энергии, принадлежащими как осн. в-ву, так и примесям кристалла. Наряду с узкими спектр. линиями С. к. могут содержать широкие спектр. полосы (ширина в волн. числах изменяется от долей до неск. тыс. см-1) и участки непрерывного спектра, простирающиеся на десятки тыс. см-1. Вид спектра зависит от типа кристалла, хим. состава, несовершенства структуры. Методика получения С. к. аналогична используемой в ат. и мол. спектроскопии (см. Спектральные приборы), однако в спектроскопии кристаллов часто применяется глубокое охлаждение образца, а для исследования анизотропных кристаллов применяют поляризованный свет.
Уровни энергии кристалла группируются в энергетич. зоны (см. ^ Зонная теория). При переходах между зонами (межзонных переходах) возникают широкие спектр. полосы. Длинноволновой край спектр. полосы межзонного, или фундаментального, поглощения может лежать в ИК (полупроводники), видимой (кристаллофосфоры) и УФ (диэлектрики, мол. кристаллы) областях спектра.
Поглощение и испускание света при межзонных переходах может происходить без возбуждения колебаний крист. решётки — фононов (прямые переходы) или с участием фононов (непрямые переходы). Показатель поглощения при прямых межзонных переходах может достигать больших значений (~104—105 см-1), поэтому фундам. поглощение исследуется в тонких образцах или по спектрам отражения.
При межзонном поглощении света эл-н из валентной зоны переходит в зону проводимости, в валентной зоне при этом образуется дырка; при рекомбинации эл-на и дырки возникают спектры рекомбинац. люминесценции. Эти процессы ответственны за фотопроводимость кристалла, спектры возбуждения к-рой, наряду со спектрами поглощения и люминесценции, позволяют изучать структуру энергетич. зон кристалла. Кроме процессов рождения несвязанных между собой эл-на и дырки, возможны переходы, при к-рых рождаются экситон — эл-н и дырка, связанные кулоновскими силами. Экситонные полосы поглощения и люминесценции лежат с длинноволновой стороны края фундам. поглощения и смещены от него на величину, соответствующую энергии кулоновского вз-ствия. При комнатной темп-ре экситонные полосы уширены до величины ~102 см-1. При понижении темп-ры в спектрах проявляется структура, связанная с бесфононными переходами и с переходами с участием конечного числа оптич. фононов. В спектрах экситонов большого радиуса проявляется структура, обусловленная разл. энергетич. состояниями экситона, к-рый можно рассматривать как водородоподобную ч-цу. Экситоны с большим дипольным моментом, взаимодействуя со световым полем, образуют светоэкситоны, или поляритоны, и создают поляритонные полосы, к-рые явл. длинноволновыми продолжениями экситонных полос.
Помимо спектр. полос, связанных с электронными переходами в атомах осн. в-ва, в С. к. существуют полосы и линии, связанные с локальными нарушениями крист. решётки — дефектами (дислокациями, примесями и др.). В энергетич. структуре кристалла могут появляться локализованные уровни энергии внутри запрещённой зоны, принадлежащие дефектам крист. решётки. В зависимости от хар-ра проявления дефекта в С. к. их наз. центрами окраски, центрами люминесценции или просто примесными центрами.
Все атомы кристалла находятся в поле колеблющихся соседних атомов, поэтому уровни энергии кристалла вследствие динамич. ^ Штарка эффекта уширены (т. н. электрон-фононное уширение). Это уширение уровней (и, следовательно, спектр. полос) однородно, время его релаксации ~10-12 с, а величина при комнатной темп-ре составляет ~102—103 см-1. Только спектры примесных атомов переходных и редкоземельных групп имеют узкие (~10 см-1) линии поглощения и люминесценции, т. к. оптич. переходы в этих элементах осуществляются эл-нами внутр. оболочек, экранированных от влияния поля соседних атомов. В крист. поле уровни энергии примесного атома расщепляются. По хар-ру расщепления можно судить о симметрии крист. поля. При понижении темп-ры линии люминесценции сужаются, увеличивается относит. вероятность чисто электронных переходов (бесфононных; см. Шпольского эффект). В спектрах поглощения проявляется структура, связанная с неодинаковостью положения примесных атомов в разных точках кристалла, т. н. неоднородное уширение, составляющее от долей до сотен см-1 в зависимости от степени упорядоченности кристалла. Возбуждение колебаний ядер решётки также приводит к уширению линий электронных переходов. Если при колебаниях решётки наводится дипольный момент, то эти колебания проявляются в спектрах ИК поглощения. Колебания, меняющие поляризуемость молекул, проявляются в спектрах КРС. В мол. кристаллах колебат. спектр сохраняет черты колебат. спектра молекул, образующих кристалл, в
ионных кристаллах спектр определяется св-вами всей решётки.
В спектрах поглощения или рассеяния кристаллов, обладающих упорядоченной спиновой подрешёткой (напр., антиферромагнетиков), могут проявляться возбуждения магн. дипольного момента (магноны, спиновые волны).
Симметрия крист. поля определяет выделенные направления дипольного момента переходов. Наличие таких направлений проявляется в разл. степени поляризации люминесценции кристаллов и в разл. коэфф. поглощения света, поляризованного вдоль и перпендикулярно оптич. оси кристалла (см. Дихроизм). Изучение С. к. необходимо для установления энергетич. структуры кристалла, изучения его строения, наличия примесей и дефектов и т. д. Кристаллофосфоры используются в люминесцентных источниках света, экранах электронных приборов и т. д. Нек-рые из люминесцирующих кристаллов явл. активной средой лазеров.
• Пайнс Д., Элементарные возбуждения в твердых телах. М., 1965; М о с с Т., Оптические свойства полупроводников, пер. с англ., М., 1961; Л е в ш и н В. Л., Фотолюминесценция жидких и твердых веществ, М.—Л., 1951; Агранович В. М., Теория экситонов, М., 1968.
Э. А. Свириденков.
^ СПЕКТРЫ ОПТИЧЕСКИЕ, спектры эл.-магн. излучения в ИК, видимом и УФ диапазонах шкалы электромагнитных волн. С. о. разделяют на спектры испускания (наз. также спектрами излучения, или эмиссионными спектрами), спектры поглощения (абсорбционные спектры), рассеяния и отражения. С. о. испускания получаются от источников света при разложении их излучения по дл. волн спектральными приборами и характеризуются функцией f(), дающей распределение энергии испускаемого света в зависимости от К (при этом энергию рассчитывают на нек-рый интервал ). От функции f() можно перейти к функции (), дающей распределение энергии по частотам =c/. С. о. поглощения и рассеяния обычно получаются при прохождении света через в-во с последующим его разложением по . С. о. поглощения, рассеяния и отражения характеризуются долей энергии света каждой дл. волны соответственно поглощённой [k()], рассеянной [()] и отражённой [R()]. При рассеянии монохроматического света дл. волны спектр комбинационного рассеяния света характеризуется распределением энергии рассеянного света по изменённым дл. волн.
С. о. регистрируют с помощью фотографич. методов, применяют также счётчики фотонов для УФ области, термоэлементы и болометры в ИК области и т. д. В видимой области С. о. можно наблюдать визуально.
По виду С. о. разделяют на л и н е й ч а т ы е, состоящие из отдельных спектр. линий, соответствующих дискр.
712
значениям , п о л о с а т ы е, состоящие из отдельных полос, каждая из к-рых охватывает нек-рый интервал , и с п л о ш н ы е (н е п р е р ы в н ы е), охватывающие широкий диапазон . Строго говоря, отдельная спектр. линия также не соответствует вполне определённому значению , а всегда имеет конечную ширину, характеризуемую нек-рым интервалом , (см. Ширина спектральных линий).
^ С. О. возникают при квантовых переходах между уровнями энергии атомов, молекул, а также тв. и жидких тел. С. о. испускания соответствуют возможным квант. переходам с верхних уровней на нижние, спектры поглощения — с нижних уровней на верхние.
Вид С. о. зависит от состояния в-ва. Если при заданной темп-ре в-во находится в состоянии термодинамич. равновесия с излучением (см. Тепловое излучение), оно испускает сплошной спектр, распределение энергии в к-ром по (или по ) даётся Планка законом излучения. Обычно термодинамич. равновесие излучения с в-вом отсутствует, и С. о. могут иметь самый разл. вид. В частности, для атомов характерны линейчатые С. о., возникающие при квант. переходах между электронными уровнями энергии (см. Атомные спектры); для простейших молекул типичны полосатые спектры, возникающие при переходах между электронными, колебат. и вращат. уровнями энергии (см. Молекулярные спектры).
Различным оптич. диапазонам (и v) соответствуют разл. энергии фотонов h=ξ1-ξ2 (ξ1 и ξ2 — энергии уровней, между к-рыми происходит переход). В табл. приведены для трёх диапазонов эл.-магн. волн примерные интервалы , v, волновых чисел /c, энергий фотонов h, а также темп-р излучения Т, характеризующих энергию фотонов согласно соотношению kT=h (k — Больцмана постоянная). С. о. широко применяются для исследования строения и состава в-ва (см. Спектроскопия, Спектральный анализ).
•Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики); Фриш С. Э., Оптические спектры атомов, М.—Л., 1963.
М. А. Ельяшевич.
^ СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ, спектры, получающиеся при прохождении и поглощении излучения в в-ве. Возникают при излучательных квантовых переходах с нижних уровней энергии на верхние.
СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (частная теория относительности), см. ^ Относительности теория.
СПИН (от англ. spin — вращаться, вертеться), собственный момент кол-ва движения элем. ч-ц, имеющий квант. природу и не связанный с перемещением ч-цы как целого. С. называют также собств. момент кол-ва движения ат. ядра (и иногда атома); в этом случае С. определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квант. механике) С. элем. ч-ц, образующих систему, и орбит. моментов этих ч-ц, обусловленных их движением внутри системы.
С. измеряется в ед. постоянной Планка ћ и равен Jћ, где J — характерное для каждого сорта ч-ц целое (в т. ч. нулевое) или полуцелое положит. число, наз. спиновым квант. числом. Обычно его называют просто С. и говорят о целом или полуцелом С. ч-цы. Напр., С. эл-на, протона, нейтрона, нейтрино, так же как и их античастиц, равен 1/2, С. - и К-мезонов равен 0, С. фотона равен 1.
Проекция С. на любое фиксиров. направление z в пр-ве может принимать значения -J, -J+1, . . ., +J. Т.о., ч-ца со С. J может находиться в 2J+1 спиновых состояниях (при J= 1/2 —в двух состояниях), что эквивалентно наличию у неё дополнит. внутр. степени свободы. Квадрат вектора С., согласно квант. механике, равен ћ2J(J+1). Со С. ч-цы, обладающей ненулевой массой покоя, связан спиновый магн. момент =Jћ; коэфф. наз. магнитомеханическим (или гиромагнитным) отношением.
Концепция С. введена в физику в 1925 амер. учёными Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом, предположившими (на основе анализа спектроскопич. данных), что эл-н можно рассматривать как «вращающийся волчок» (отсюда и термин «С.») с собств. механич. моментом ћ/2 и собственным (спиновым) магн. моментом, равным магнетону Бора Б=ће/2mс (е и m — заряд и масса эл-на). Т. о., для С. эл-на =e/mc и с точки зрения классич. электродинамики явл. аномальным: для орбит. движения эл-на и для любого движения классич. системы заряж. ч-ц с данным отношением e/m оно в два раза меньше (г/2 тс).
Учёт С. эл-на позволил В. Паули сформулировать принцип запрета, утверждающий, что в произвольной физ. системе не может быть двух эл-нов,
находящихся в одном и том же квант. состоянии (см. ^ Паули принцип). Наличие у эл-на С. 1/2 объяснило мультиплетную структуру ат. спектров (см. Тонкая структура), особенности расщепления спектр. линий в магн. полях (Зеемана эффект), порядок заполнения электронных оболочек в многоэлектронных атомах (а следовательно, и закономерности периодич. системы элементов), ферромагнетизм и мн. др. явления.
Существование у протона С. 1/2 постулировано на основе опытных данных амер. физиком Д. М. Деннисоном. Эксперим. проверка этой гипотезы привела к открытию сверхтонкой структуры ат. уровней энергии.
С. ч-ц однозначно связан с хар-ром статистики, к-рой они подчиняются. Как показал Паули (1940), из квант. теории поля следует, что все ч-цы с целым С. подчиняются Возе — Эйнштейна статистике (явл. бозонами), с полуцелым С.— Ферми — Дирака статистике (явл. фермионами). Для фермионов, напр. эл-нов, справедлив Паули принцип, для бозонов он не имеет силы.
В матем. аппарат нерелятив. квант. механики С. был введён Паули; при этом описание С. носило феноменологич. хар-р. Наличие у эл-на С. и спинового магн. момента непосредственно вытекает из релятив. Дирака уравнения (к-рое для эл-на в эл.-магн. поле в пределе малых скоростей переходит в Паули уравнение для нерелятив. ч-цы со С. 1/2).
Величина С. элем. ч-ц определяет трансформац. св-ва полей, описывающих эти ч-цы. При Лоренца преобразованиях поле, соответствующее ч-це со С. J=0, преобразуется как скаляр (или псевдоскаляр); поле, описывающее ч-цу с J=1/2,— как спинор, а с J=1 — как вектор (или псевдовектор) и т. д.
• См. лит. при ст. Квантовая механика.
О. И. Завьялов.
^ СПИНОВОЕ ЭХО, спонтанное возникновение сигналов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) через нек-рое время после подачи на образец последовательности импульсов радиочастотного поля H1 . Обнаружено амер. физиками: в ЯМР — Э. Л. Ханом (1950), в ЭПР — А. Килем и В. Б. Минсом (1967). Импульс поля H1 отклоняет вектор намагниченности
713
М от направления H на угол, пропорц. длительности импульса. После импульса H1 этот угол убывает со скоростью, определяемой временем спин-спиновой релаксации Т2 и неоднородностью поля Н в образце. Если включить два коротких импульса, следующих друг за другом с интервалом
С. э. даёт возможность измерять времена релаксации, особенно в жидкостях, где для С. э. ЯМР существуют особенно благоприятные условия.
• Макомбер Дж. Д., Динамика спектроскопических переходов, М., 1979. См. также лит. при ст. Ядерный магнитный резонанс.
В. Н. Лазукин.
^ СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ, 1) волны нарушений спинового порядка в магнитоупорядоченных средах. В ферромагнетиках, антиферромагнетиках и ферримагнетиках спины атомов и связанные с ними магн. моменты при отсутствии возбуждения строго упорядочены. Состояние возбуждения магн. системы связано с отклонением спина от положения равновесия. Из-за вз-ствия между атомами такое отклонение не локализовано, а в виде волны распространяется в среде. С. в. явл. элементарными (простейшими) возбуждениями системы магн. моментов в магнитоупорядоченных средах. Соответствующие квазичастицы наз. магнонами. Существование С. в. было предсказано амер. физиком Ф. Блохом в 1930. С. в., как всякая волна, характеризуется зависимостью частоты от волнового вектора k (дисперсии закон). В кристаллах с неск. магнитными подрешётками могут существовать неск. типов С. в. с разными законами дисперсии.
С. в. допускают наглядную классич. интерпретацию: рассмотрим цепочку атомов, расстояния между к-рыми а в магн. поле Н (рис.). Если волновой вектор k=0 (), то С. в. нет. Это означает, что все спины синфазно прецессируют вокруг направления Н с частотой 0 (однородная прецессия). При k0 прецессия спинов неоднородна. Разные спины находятся в разных фазах. Сдвиг фаз между соседними атомами равен ka.
^ Прецессия спинов в линейной цепочке атомов («моментальный снимок»); спин каждого атома изображён стрелкой.
Частота неоднородной прецессии (k)>0. В ферромагнетиках для длинных С. в. (ka<<1):
(k)=0+e(ak)2;
величина ће порядка величины обменного интеграла между соседними атомами. Как правило, е>>0, а 0=g(М+H). Здесь g — гиромагнитное отношение, — константа анизотропии, М — намагниченность при T=0К. Квантовомеханич. рассмотрение системы взаимодействующих спинов позволяет вычислить законы дисперсии С. в. для разл. крист. решёток при произвольном соотношении а и длины С. в.
2) В 1958 В. П. Силин предсказал существование С. в. в парамагн. металлах, они были обнаружены экспериментально в 1967. В немагнитных металлах С. в.— колебания спиновой плотности электронов проводимости, обусловленные обменным взаимодействием между ними. Существование таких С. в. проявляется, напр., в селективной прозрачности металлич. пластин для эл.-магн. волн с частотами, близкими к частоте ЭПР.
• Ахиезер А. И., Барьяхтар В. Г., П е л е т м и н с к и й С. В., Спиновые волны, М., 1967.
^ М. И. Каганов.