2.1 Взаимодействие лазерного излучения с атомами

В начале XX века формулировка А. Эйнштейном закона для фотоэффекта открыла исследования этого процесса, одного из основных процессов, возникающих при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Атомный фотоэффект, именуемый также процессом фотоионизации атома, является вариантом фотоэффекта на атомарном уровне взаимодействия излучения. В первой половине XX века процесс фотоионизации атома был детально изучен экспериментально и описан теоретически [1].

Основной чертой процесса фотоионоизации атома является его однофтонная природа – элементарный акт отрыва электрона от атома происходит в результате поглощения одного фотона. Соответственно на современном уровне этот процесс именуется также однофотонной ионизацией атома [2].

В первой половине XX века были обнаружены, исследованы и описаны также и другие элементарные процессы, возникающие при взаимодействии света с атомом – фотовозбуждение атома, рэлеевское и романовское (комбинированное) рассеивание света атомом.

Рисунок.1. Схемы однофотонных процессов. a – фотоианизация атома, б - фотовозбуждение атома, в - рэлеевское рассеивание света атомом, г - романовское рассеивание света атомом. Е – энергия электрона в атоме, Е_i – потенциал ионизации атома, n – основное состояние, m, q – возбужденные связанные состояния электрона в атоме, прямые стрелки - вынужденные переходы электрона в результате поглощения фотона, волнистые стрелки – свет, рассеянный атомами

В середине XX века были открыты качественно новые явления, возникающие при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Эти открытия были стимулированы революционными изменениями в характеристиках источников света. Появление лазеров дало в руки экспериментаторов монохроматическое излучение оптического диапазона частот гигантской интенсивности, существенно превышающей атомную интенсивность (I_a=3.61*10¹⁶Вт/см). Соответственно напряженность поля лазерного излучения существенно превышает атомную напряженность поля (F_a=5.41*10⁹В/см). Из сравнения этой величины с интенсивностью долазерных источников монохроматического излучения – спектральных ламп – составляющей величину порядка 1-10 Вт/см², ясно, что при взаимодействии лазерного излучения с веществом должна возникнуть качественно новая физика.

Действительно, использование лазерного излучения позволило обнаружить существование помимо процесса однофотонной ионизации атомов также и процесса многофотонной ионизации атомов. Основой чертой

процесса многофотонной ионизации атома является тот факт, что отрыв электрона от атома происходит в результате поглощения нескольких фотонов в одном элементарном акте [1].

Используя лазерное излучение, были обнаружены и многофотонные аналоги других основных однофотонных процессов – многофотонное возбуждение атома, возбуждение высших гармоник при рассеянии света (многофотонное рэлеевское рассеяние света) и гиперрамановское ( многофотонное рамановское) рассеяние света атомом.

Таким образом, использование высокоинтенсивного лазерного излучения привело к возникновению новой главы физики – нелинейного( многофотонного) взаимодействия электромагнитного излучения с веществом на атомном уровне.

Рисунок.2. Схемы многофотонных процессов. a – многофотонная фотоианизация атома, б - многофотонное возбуждение атома, в – возбуждение высшей (третьей) гармоники падающего излучения, г – гиперрамановское рассеивание света атомом. Обозначения те же, что и на рис. I – состояние электрона, поглотившего один или несколько фотонов.

Обнаружение многофотонных (нелинейных) процессов привело к современному взгляду на однофотонные процессы, как результат реализации предельного случая, когда взаимодействие происходит при малой интенсивности света [2].

За вторую половину XX века процессы многофотонной (нелинейной) ионизации атомов были детально исследованы экспериментально и всесторонне описаны теоретически. К настоящему времени эта глава физики представляет собой исследование, законченное в основных чертах. Этому вопросу посвящены сотни работ, десятки обзоров и ряд монографий.

Поскольку лазерное излучение обладает уникальными свойствами (частота и монохроматичность, мощность, когерентность и малая угловая расходимость) возникла потребность в выяснении особенностей его взаимодействия с атомами. Перейдем к описанию некоторых эффектов, возникающих при взаимодействии лазерного излучения с атомами.

Ионизацию вещества под действием света называют фотоионизацией.

Основные законы фотоэффекта

1. Число электронов N выбиваемых из вещества под действием света, пропорционально интенсивности светового потока I:

N I , (1)

2. Фотоэлектроны не образуются, если длина волны излучения больше некоторого критического значения (красной границы фотоэффекта), которое характерно для каждого конкретного вещества.

Наличие красной границы фотоэффекта означает, что вещество характеризуется некоторой минимальной энергией (потенциалом ионизации), которую необходимо затратить, чтобы вырвать из вещества один электрон. Энергия каждого фотона определяется его длиной волны с помощью формулы , где с — скорость света. Отсюда видно, что если длина волны слишком велика, то энергии фотона может не хватить для выбивания электрона [2].

Из пропорциональности числа фотоэлектронов интенсивности светового потока следует, что фотоны "рождают" электроны независимо друг от друга.

Потенциалы ионизации разных веществ сильно различаются. От нескольких десятков до нескольких единиц. Поэтому, казалось бы, оптическое излучение не может приводить к ионизации атомов.

Однако такой вывод следует из классических законов фотоэффекта. Если же оптическое излучение является достаточно сильным, то ионизация может произойти вследствие одновременного поглощения нескольких фотонов. Другими словами, большая мощность света отменяет закон о наличии красной границы фотоэффекта: ионизация может произойти под действием излучения с большой длиной волны, если мощность этого излучения достаточно велика. Данное явление получило название многофотонной ионизации [2].

Поскольку при многофотонной ионизации для выбивания одного электрона требуется несколько квантов, фототек перестает линейно зависеть от интенсивности света. Таким образом отменяется и второй закон классического фотоэффекта.

В начале исследований многофотонной ионизации считалось, что зависимость фототока от интенсивности должна быть степенной:

 ; (2)

где показатель степени q определяет минимальное число квантов, необходимых для ионизации.

Согласно квантовой механике, электроны в атомах может находиться лишь в состояниях с некоторыми вполне определенными значениями энергии. Поэтому после поглощения первого фотона, энергия которого недостаточна для ионизации, атом не может ждать, когда к нему подлетит второй фотон, поскольку энергия состояния ожидания запрещена квантовой механикой. Тем не менее случайно (а из-за сложности атомных спектров такие случаи достаточно вероятны) может оказаться, что после поглощения какого-либо фотона энергия атома приблизится к разрешенному энергетическому состоянию [1].

А далее следует учесть, что энергетическое положение этого состояния само зависит от интенсивности лазерного излучения, поскольку интенсивность велика. Возникает явление, называемое динамическим эффектом Штарка и состоящее в изменении атомного спектра лазерным полем. В результате положения атомных уровней начинают меняться с изменением лазерной интенсивности.

В зависимости нелинейного фототока от частоты многофотонное возбуждение проявляется виде резонанса. Поэтому многофотонную ионизацию с промежуточным возбуждением реальных атомных состояний называют резонансной, тогда как ионизацию с отсутствующими промежуточными резонансами называют прямой [2].

Структура жидкостей

До применения рентгеновского анализа теория жидкого состояния веществ основывалось на концепции, вытекающей из уравнения Ван-дер-Ваальса, по которому устанавливалась определенная постепенность перехода от газообразного состояния к жидкому. При сильном сжатии межмолекулярные силы сцепления между частицами газа становятся настолько значительными, что вещество уже само сохранять свой объем, независимо от внешнего давления. Происходит изменение агрегатного состояния и образуется жидкость, которую, по этим представлениям, можно рассматривать как сильно сжатый газ.

Однако рентгеновский анализ показал, что сконденсированные частицы газа образуют небольшие группы с упорядоченной структурой. Из концепции о сжатом газе это непосредственно не вытекало.

Если электроны отдельных атомов имели с последними сравнительно слабую связь, то при сближении до расстояний, сравнимых с размерами электронных орбит, должно происходить “обобществление” этих электронов. Такое состояние будет характерно для металлов. В случае же сильной связи электронов с отдельными атомами подобного рода сближение не вызовет “обобществления” электронов, у которых связь со своими атомами в какой-то мере сохранится. Вещество тогда будет диэлектриком. Следовательно, последний должен состоять из отдельных атомов, силовые поля которых удерживают свои электроны. При поглощении квантов энергии, например при облучении, электроны могут выйти из сферы действия своих атомов и образовывать ток проводимости[8].

При подобного рода облучении может оказаться, что поглощенного кванта энергии будет недостаточно для полного отрыва электрона от своего атома. Электрон придет в возбужденное состояние, т.е. будет вращаться вокруг своего атома по большей орбите. При столкновениях атомов возбужденное состояние может передаваться другим атомам, т.е. будут образовываться экситоны, но проводимости не возникнет. Такое явление наблюдается на опыте и легко объяснимо с точки зрения классической концепции заключающейся в представлении о диэлектрике как о сжатом газе. С зоной точки зрения указанное явление объяснить трудно [8].

В настоящее время принято считать, что жидкость при температурах, близких к тем, при которых происходит кристаллизация, имеет много общих черт с кристаллами, чем с газами, а при температурах или давлениях, близких к “критическим”, жидкость больше похожа на газ. Таким образом, жидкое состояние является промежуточным. Черты и различия выступают особенно наглядно в характере тепловых движений. В газах молекулы быстро и беспорядочно движутся, и взаимодействие частиц наступает главным образом только при столкновениях, которые сообщают газам некоторые характерные черты (диффузия, теплопроводность и вязкость).

В твердых телах атомы длительно совершают тепловые колебания в одном и том же окружении, но это окружение не является постоянным: атомы из одного положения равновесия переходят в другое (узлы и междоузлия), и таким образом, хотя и медленно, но также как и в газах, происходит непрерывное перемешивание атомов. В этом отношении уже имеются некоторые черты сходства газа и твёрдого тела [6].

Для движения частиц в жидкости имеется значительно больший простор, чем в твёрдом теле, поскольку, например. При плавлении кристаллов их объём увеличивается на3-10%.Однако частицы жидкостей, также как и частицы кристаллического тела, совершают колебания около временного положения равновесия. При достаточной энергии частица жидкости покидает это положение и переходит в новое окружение .Такие переходы случаются весьма часто, и в этом жидкости существенно отличаются от твёрдых тел. При переходах, вследствии теплового движения, в жидкостях могут самопроизвольно образовываться микрополости за счёт расширения частиц в стороны( процессы кавитации).Эти полости, как можно предполагать, играют некоторую роль в явлении разброса при определении величин пробивных напряжений, что обычно приписывается влиянию примесей и некоторым случайным факторам.

Длительность колебаний частиц жидкостей около одного равновесного положения зависит от температуры. При увеличении последней это число колебаний уменьшается.

При изучении закономерностей рассеяния рентгеновских лучей жидкостями были найдены, хотя и размытые, но определённые максимумы рассеянного излучения. На основании этого можно было предполагать наличие некоторой упорядоченности в структуре жидких тел[8].

Таким образом, можно считать установленным существование в жидкостях микрообъёмов с упорядоченной структурой. В этом отношении жидкость также имеет определённое сходство с твёрдым телом. Оказывается, что на фоне общего беспорядка жидкостей всё же имеют определённый порядок в расположении на малых расстояниях (ближний порядок).

Рентгеновский анализ, однако, не даёт возможности определить природу таких квазикристаллитных групп в той же степени, как это можно сделать для кристаллов. В настоящее время о природе этих преобразований можно высказать два предположения.

По первому из них, в микрообластях с размерами 10-20 А имеется определённая порядочная структура рассеивающих центров, очень близко напоминающая кристаллическое строение. На основании этого представления жидкость можно рассматривать состоящей из очень большого количества мелких кристалликов (кристаллитов), разделённых аморфными прослойками[8].

По второму предложению, молекулярная упорядоченность жидкостей соответствует так называемому сиботактическому состоянию. В определённый момент времени жидкость можно представить тоже состоящей их небольших упорядоченных групп. Но молекулы в этих сиботактических группах прочно не закреплены, а постоянно смещаются. Да и сами группы не существуют продолжительное время, а распадаются и создаются вновь. Этим сиботактические группы отличаются от кристаллитов твёрдого вещества. При изменении температуры структура сиботактических групп может тоже изменяться. С приближением к точке кристаллизации, вследствие действия сил, обусловливающих кристаллическое строение, структура этих групп может приблизиться к кристаллической. Это подтверждается и данными рентгеновского анализа. Кривые интенсивности рассеянных лучей в жидкостях при температуре, близкой к точке кристаллизации, делаются схожими с такими же кривыми для твердого кристаллического состояния. По-видимому, и среднее расположение рассеивающих центров в жидкостях при этом делается таким же, как и у кристалла.

Из приведённых данных следует, что пробивная напряжённость жидкостей зависит от их структуры и что заранее предсказать характер изменения Е при переходе веществ из газообразного состояния в жидкое пока невозможно. Основные электрические свойства жидкостей, по-видимому, определяются «ближним порядком», т.е. характером взаимодействия молекул с ближайшими соседями, как это имеет место у полупроводников [8].