Возбуждённый атом должен светиться жёлтым, а не поглощать его, думал я.
Оказалось всё чуть сложнее. Нарисованное - это (не в масштабе) переход 3s-3p, он даёт как линию поглощения, так и линию испускания. В "энергетике" лампы этот переход работает больше на поглощение, чем на испускание в связи с большей концентрацией атомов в основном состоянии чем в 3p. Свет лампы создаётся в основном переходами ns->3p (n>3), nd->3p, при этом обратные переходы маловероятны, т.к. заселённость уровня 3p низка.
Начал вспоминать сданную в 1990 году физику и волосы на спине зашевелились. Даже не обращаясь ко всем этим переходам, из здравого смысла следует, что возбуждённых атомов в лампе куда меньше, а значит поглощающих излучение больше ;) Ну а полоса излучения и поглощения на спектре, вроде бы должны совпадать. Энергия-то у перехода одна.
Необязательно :-) Вот если бы оттуда когерентный лазерный луч вылетал - тогда да, точно есть инверсия :-)
В большинстве случаев люминесценция происходит без инверсии, ибо для спонтанного излучения достаточно наличия хоть какой-то, необязательно инверсной, населённости соответствующего возбуждённого уровня. Создание же инверсии (когда сверху больше чем снизу) - не очень тривиальная задача: если просто лупить чем-то (светом, разогнанными электронами) в конкретный переход, населённости уровней будут выравниваться, но инверсии не будет. Надо или забрасывать атомы на верхний уровень непрямым образом (через другой уровень), либо выбрать нижним уровнем рабочего перехода какой-то быстро очищающийся уровень (т.е. не основное состояние, а более высокий уровень с быстрым тушением), или и то и другое одновременно.
Ну так я и не говорил что инверсия сразу означает лазерный луч. Я говорил, что лазерный луч означает инверсию :-) Это, правда, не абсолютно корректное утверждение - "lasing without inversion" известен не один десяток лет, но LWI-системы по прежнему относительная экзотика, так что увидев когерентный лазерный луч можно с высокой вероятностью считать, что где-то там есть либо инверсия, либо "сумасшедший учёный", создающий лазеры без инверсии :-)
И с неравновесной населённостью всё тоже не так очевидно. Берём газ (тонкий слой, чтобы можно было заведомо пренебречь самопоглощением), равновесным образом разогреваем до нескольких тыщ градусов. По дефолту газ не светится - он, конечно, горячий, и ему положено светить тепловым излучением, но он прозрачный, "степень черноты" мала, поэтому светится он "низэнько-низэнько", как те крокодилы. Но при такой температуре равновесная населённость на верхних уровнях будет уже довольно высокой. Излучаться этим уровням никто не запрещал, самопоглощение всегда можно свести к минимуму - и получается, что газ светится, это вполне себе люминесценция (излучательная релаксация электронно-возбуждённых состояний), при этом населённость почти равновесная. То есть в этой конкретной лампочке населённость таки да, скорее всего неравновесная (греть электроны и долбать ими атомы проще, чем греть весь газ), но я могу представить себе люминесцентный, и при этом равновесный, источник света. Собственно, дуговой разряд в плотных газах - это, как я понимаю, примерно оно и есть: температура высокая, электроны разогреваться не успевают (поле небольшое, а частота столкновений высокая), спектр - смесь чёрт-те чего, в том числе и линий люминесценции :-)
Если газ прозрачный в каком-то диапазоне, значит нет населённых пар уровней, переход между которыми мог бы дать поглощение или излучение в этом диапазоне. Если газ нагреть -- повысится заселённость верхних уровней, появится таковая пара и газ начнёт поглощать и испускать, причём (равновесное заселение) поглощать больше чем излучать. Как свести к минимуму самопоглощение не понимаю, спектры тонких газовых плёнок (c) -- это слишком сложно для моего слабого мозга :).
Собственно, спектр Солнца потверждает что нагретый газ светится более-менее чёрнотельно с линиями поглощения.
> Если газ прозрачный в каком-то диапазоне, значит нет населённых пар уровней, переход между которыми мог бы дать поглощение или излучение в этом диапазоне.
Поглощение может быть узкополосным (тогда его плохо видно в белом свете), поглощение может быть слабым. В обычной неонке нет инверсии, а значит каждый излучающий переход - поглощает на той же длине волны, причём поглощение будет больше, чем вынужденное излучение (коэффициент тот же, а населённость "внизу" больше), но неонка вполне светит - хватает спонтанного излучения.
> Если газ нагреть -- повысится заселённость верхних уровней, появится таковая пара и газ начнёт поглощать и испускать, причём (равновесное заселение) поглощать больше чем излучать.
Два уточнения. Во-первых, поглощать она в первом приближении будет меньше, чем для холодного газа, потому что на нижнем уровне атомов будет больше - они частично уйдут на верхний. Во-вторых - "поглощать больше чем излучать" они будут только для вынужденного излучения, для спонтанного - излучения будет больше чем поглощения. Просто потому, что для спонтанного излучения не нужен внешний свет (вынуждающее излучение), а спонтанного излучения не может поглотиться больше, чем излучиться (и обычно поглощение весьма мало - см. ту же неонку, которая светится, несмотря на отсутствие инверсии).
> Как свести к минимуму самопоглощение не понимаю
Да забить на него, в большинстве практических случаев оно и так мало :-)
> Собственно, спектр Солнца потверждает что нагретый газ светится более-менее чёрнотельно с линиями поглощения.
Ну, линия H_alpha от солнца вполне себе летит, так что не только поглощение линейчато, излучение линиями тоже есть. А при миллиардах(!) градусов в пузе - неудивительно, что непрерывный спектр есть, и доминирует :-)
> неонка вполне светит Неонка светится как "натриевка", переходом ns->3p, то есть переходом из неравновесно заселённого уровня на неосновной уровень. Если бы нижний уровень перехода был сколь-нибудь значительно заселён -- неонка была бы непрозрачна на соответствующей длине волны и светила бы ею в лучшем случае с поверхности.
А по существу - вынужден согласиться (UPD: как с чисто поверхностным эффектом). Больше потому что не могу сформулировать разницу между нагретым газом и нагретыми ионами натрия в пламени горелки :-).
В неонке давление низкое, а сама она мелкая, поэтому подозреваю что "поверхностный эффект" там на всю толщину неонки (собственно, если бы там было существенным самопоглощение, её тупо делали бы меньше размером, для экономии). Надо будет, кстати, засветить одну неонку, и посмотреть на неё через другую, незасвеченную - оценить поглощение.
С натриевой же лампой - тоже вынужден согласиться: судя по спектру поглощение на линиях натрия значительное, значит в дуговых лампах так просто пренебречь поглощением нельзя.
(с натрием в горелке, кстати, тоже неочевидно. Не может ли там энергия, выделяющаяся при окислении, передаваться натрию не через тепло, а каким-то более прямым (неравновесным) образом? Тогда разница была бы).
> засветить одну неонку, и посмотреть на неё через другую, незасвеченную Не получится. В незасвеченой лампе на уровне 3p тупо ничего не будет. Надо смотреть через одну засвеченую на другую засвеченую.
Натрий в горелке, подозреваю (но я слишком далёк от предметной области для обоснования), сперва равновесно нагревается, потом "высвечивается" при охлаждении. Такая дикая гипотеза...
Кстати, пока писал, обнаружил что появление в горелке натрия с электроном на внешней оболочке - тема отдельного не понятного мне детектива.
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png)
tarnyagin.livejournal.com) wrote in ![[community profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/community.png)
useless_faq2014-02-05 08:37 pm
no subject
no subject
Оказалось всё чуть сложнее. Нарисованное - это (не в масштабе) переход 3s-3p, он даёт как линию поглощения, так и линию испускания. В "энергетике" лампы этот переход работает больше на поглощение, чем на испускание в связи с большей концентрацией атомов в основном состоянии чем в 3p. Свет лампы создаётся в основном переходами ns->3p (n>3), nd->3p, при этом обратные переходы маловероятны, т.к. заселённость уровня 3p низка.
no subject
Даже не обращаясь ко всем этим переходам, из здравого смысла следует, что возбуждённых
атомов в лампе куда меньше, а значит поглощающих излучение больше ;) Ну а полоса
излучения и поглощения на спектре, вроде бы должны совпадать. Энергия-то у перехода
одна.
no subject
no subject
Необязательно :-) Вот если бы оттуда когерентный лазерный луч вылетал - тогда да, точно есть инверсия :-)
В большинстве случаев люминесценция происходит без инверсии, ибо для спонтанного излучения достаточно наличия хоть какой-то, необязательно инверсной, населённости соответствующего возбуждённого уровня. Создание же инверсии (когда сверху больше чем снизу) - не очень тривиальная задача: если просто лупить чем-то (светом, разогнанными электронами) в конкретный переход, населённости уровней будут выравниваться, но инверсии не будет. Надо или забрасывать атомы на верхний уровень непрямым образом (через другой уровень), либо выбрать нижним уровнем рабочего перехода какой-то быстро очищающийся уровень (т.е. не основное состояние, а более высокий уровень с быстрым тушением), или и то и другое одновременно.
no subject
no subject
Это, правда, не абсолютно корректное утверждение - "lasing without inversion" известен не один десяток лет, но LWI-системы по прежнему относительная экзотика, так что увидев когерентный лазерный луч можно с высокой вероятностью считать, что где-то там есть либо инверсия, либо "сумасшедший учёный", создающий лазеры без инверсии :-)
И с неравновесной населённостью всё тоже не так очевидно. Берём газ (тонкий слой, чтобы можно было заведомо пренебречь самопоглощением), равновесным образом разогреваем до нескольких тыщ градусов. По дефолту газ не светится - он, конечно, горячий, и ему положено светить тепловым излучением, но он прозрачный, "степень черноты" мала, поэтому светится он "низэнько-низэнько", как те крокодилы.
Но при такой температуре равновесная населённость на верхних уровнях будет уже довольно высокой. Излучаться этим уровням никто не запрещал, самопоглощение всегда можно свести к минимуму - и получается, что газ светится, это вполне себе люминесценция (излучательная релаксация электронно-возбуждённых состояний), при этом населённость почти равновесная.
То есть в этой конкретной лампочке населённость таки да, скорее всего неравновесная (греть электроны и долбать ими атомы проще, чем греть весь газ), но я могу представить себе люминесцентный, и при этом равновесный, источник света. Собственно, дуговой разряд в плотных газах - это, как я понимаю, примерно оно и есть: температура высокая, электроны разогреваться не успевают (поле небольшое, а частота столкновений высокая), спектр - смесь чёрт-те чего, в том числе и линий люминесценции :-)
no subject
Собственно, спектр Солнца потверждает что нагретый газ светится более-менее чёрнотельно с линиями поглощения.
no subject
Поглощение может быть узкополосным (тогда его плохо видно в белом свете), поглощение может быть слабым. В обычной неонке нет инверсии, а значит каждый излучающий переход - поглощает на той же длине волны, причём поглощение будет больше, чем вынужденное излучение (коэффициент тот же, а населённость "внизу" больше), но неонка вполне светит - хватает спонтанного излучения.
> Если газ нагреть -- повысится заселённость верхних уровней, появится таковая пара и газ начнёт поглощать и испускать, причём (равновесное заселение) поглощать больше чем излучать.
Два уточнения. Во-первых, поглощать она в первом приближении будет меньше, чем для холодного газа, потому что на нижнем уровне атомов будет больше - они частично уйдут на верхний. Во-вторых - "поглощать больше чем излучать" они будут только для вынужденного излучения, для спонтанного - излучения будет больше чем поглощения. Просто потому, что для спонтанного излучения не нужен внешний свет (вынуждающее излучение), а спонтанного излучения не может поглотиться больше, чем излучиться (и обычно поглощение весьма мало - см. ту же неонку, которая светится, несмотря на отсутствие инверсии).
> Как свести к минимуму самопоглощение не понимаю
Да забить на него, в большинстве практических случаев оно и так мало :-)
> Собственно, спектр Солнца потверждает что нагретый газ светится более-менее чёрнотельно с линиями поглощения.
Ну, линия H_alpha от солнца вполне себе летит, так что не только поглощение линейчато, излучение линиями тоже есть. А при миллиардах(!) градусов в пузе - неудивительно, что непрерывный спектр есть, и доминирует :-)
no subject
Неонка светится как "натриевка", переходом ns->3p, то есть переходом из неравновесно заселённого уровня на неосновной уровень. Если бы нижний уровень перехода был сколь-нибудь значительно заселён -- неонка была бы непрозрачна на соответствующей длине волны и светила бы ею в лучшем случае с поверхности.
А по существу - вынужден согласиться (UPD: как с чисто поверхностным эффектом). Больше потому что не могу сформулировать разницу между нагретым газом и нагретыми ионами натрия в пламени горелки :-).
no subject
С натриевой же лампой - тоже вынужден согласиться: судя по спектру поглощение на линиях натрия значительное, значит в дуговых лампах так просто пренебречь поглощением нельзя.
(с натрием в горелке, кстати, тоже неочевидно. Не может ли там энергия, выделяющаяся при окислении, передаваться натрию не через тепло, а каким-то более прямым (неравновесным) образом? Тогда разница была бы).
no subject
Не получится. В незасвеченой лампе на уровне 3p тупо ничего не будет. Надо смотреть через одну засвеченую на другую засвеченую.
Натрий в горелке, подозреваю (но я слишком далёк от предметной области для обоснования), сперва равновесно нагревается, потом "высвечивается" при охлаждении. Такая дикая гипотеза...
Кстати, пока писал, обнаружил что появление в горелке натрия с электроном на внешней оболочке - тема отдельного не понятного мне детектива.