Лекції зі "Світлотехніки"

Електронна конфігурація атома значною мірою визначає його хімічні властивості. Для              позначення електронної конфігурації хімічного елементу використовують назви орбіталей: s,p,d,f,g. Перед назвою орбіталі стоїть основне квантове число, а верхній індекс після позначення орбіталі вказує на те, скільки електронів є на орбіталях даного сорту.

Наприклад, для неону електронна конфігурація записується 1s22s22p6. Цей запис означає, що неон має два електрони на внутрішній s-орбіталі, 2 електрони на зовнішній s-орбіталі й 6 електронів на зовнішній p-орбіталі.

Для заліза електронну конфігурацію можназаписати наступним чином [Ar]3d64s2. Це означає, що внутрішні оболонки заліза заповнені так само, як у аргону, а решту 8 електронів розподілені наступним чином: d-оболонказаповнена не повністю, два електрони перебувають на зовнішній 4s-оболонці. На d-оболонці - 6 електронів (ізможливих 10).

По тривалості свічення розрізняють  флуоресценцію (швидко затухаючу Л.) і  фосфоресценцію (тривалу Л.). Ділення цеумовне, оскільки не можна вказати строго певної часової межі: вона залежить від тимчасового дозволу реєструючихприладів.  

 Основними типами вживаних  Л. є крісталлофосфори, органічні  Л., люмінесцирующие стекла. Найбільшого  поширення набули крісталлофосфори. Значна частина ними є напівпровідниковіз'єднання  з шириною забороненої зони  1—10 ев, люмінесценція яких обумовлена домішкою (активатора) або дефектами грат. Концентрація активатора варіюється в межах 10 -3 —10 -7 г/г. Деякі сторонні домішки, наприклад Fe, в концентраціях вже 10 -6 г/г   можуть зменшувати яскравість люмінесценції, тому приготування Л. вимагає особливого контролю чистоти вихідних матеріалів. Такі Л. виготовляють дорогою прожарення шихти. Для поліпшення процессу кристалізації в шихту додаються плавні — солі типа KCI, LIF, Caci 2 і тому подібні. Люмінесцирующием онокристали вирощуються з розплаву, розчину або газової фази.  

 В люмінесцентних  лампах застосовуються суміші крісталло фосфоров [наприклад, сумішіMgwo 4 і (Znbe) 2 Sio 4 ·Mn] або однокомпонентні  Л., наприклад галофос фаткальцію, активований Sb і Mn. Л. підбираються так, щоб їх свічення мав спектральний розподіл, близький до розподілу денного світла. Като до люмінофори застосовують для екранів електронно-променевих трубок, осцилографів, чорно-білих і кольорових кінескопів і тому подібне. Для кольорових кінескопів розроблені люмінофори, щодають три основні кольорисвічення: синій (Zns·ag) зелений (Znse·ag), червоний [Zn 3 (Po 4 ) 2 ·Mn]. Для рентгеноскопії застосовуються (Zn, Cd) S·ag і Cawo 4 , що дають свічення в області максимальної чутливості ока і щодозволяють максимально використовувати чутливість рентгенівсько їплівки і зменшити дозу опромінення. Електро люмінофори на основі Zns cu використовують для створення індикаторів, що світяться, табло, панелей.  

 Органічні Л. Можуть люмінесцировать  в розчинах (флуоресцеїн, родамін) і твердо мустані (пластичнімаси і антрацен, стильбен і інші органічні кристали). Органічні Л. Можуть володіти яскравим свіченням і дуже високою швидкодією. Колір люмінесценції органічних Л. може бути підібраний для будь-якої частини видимої області. Вони застосовуються для люмінесцентного аналізу, виготовлення люмінесцирующих фарбпокажчиків, оптичного вибілювання тканин і т.д. Багатоорганічних Л. (фарбникицианінового, поліметіновогорядів та інші) використовують як активні елементи рідинних лазерів . Кристалічні органічні Л. застосовують як сцинтилятори для реєстрації g-променів і швидких часток (див. Сцинтиляційнийлічильник і Люмінесцентна камера ). Органічні Л. випускаються промисловістю СРСР під торгівельним найменуванням люмінори.  

 Скло  люмінесцирующие виготовляють  на основі скляних матриць  різного складу. При вариві скла  в шихту додають активатори, найчастіше  солі рідкоземельних елементів  абоактиноїдів. Вихід, спектр і тривалість свічення люмінесцентних стекол визначаються властивостями активатора. Вони володіють хорошою оптичною прозорістю і багато хто з них може бути використані як лазерні матеріали, а також для візуалізації зображень, отриманих в ультрафіолетовому випромінюванні.

Фотолюмінесце́нція — різновид люмінесценції, світіння, яке виникає під дією світлових променів оптичного діапазону частот — ультрафіолетових і видимих.

Використання

Фотозбудження з успіхом  застосовується для отримання люмінесценції  рідких кристалів і скла, а також твердих порошків — кристалофосфорів. Фото збудження зручне для об'єктів з малими і середніми концентраціями люмінесцентної активної речовини. За значних концентрацій активаторів або в розчинах з поглинаючим розчинником воно збуджу єтільки поверхневі шари речовини. Щільність ультрафіолетових і видимих потоків випромінювання в сучасних джерелах збудження люмінесценції відносно невелика. Тому для фотолюмінесценці ї характерні середні і малі яскравості. Світло рідко використовується  для  збудження газів, оскільки щільність поглинаючих центрів у цьому випадку дуже незначна і при відносно малих потужностях фотозбудження інтенсивність люмінесценції слабка.

 

 

ЛЕКЦІЯ №6

Процеси, що визначають генерування і перенос випромінювання у розряді.

У природі існує три механізми  взаємодії світла з речовиною, які  представляють інтерес в даному випадку:

Поглинання. Якщо світло (фотони з частотою ν₂₁) проходить через групу атомів, існує ймовірність, що світло буде поглинений атомом, що знаходяться в основному стані, що викличе його перехід до порушеної стану. Імовірність поглинання пропорційна інтенсивності світла, а також кількості атомів N1, що знаходяться в основному стані.

Спонтанне випромінювання. Якщо атом знаходиться у збудженому стані, він може мимоволі перейти в основний стан з імовірністю, пропорційною кількості порушених атомів N₂. Різниця в енергії між цими станами ΔE при цьому випроменить атомом у вигляді фотона частоти ν₂₁, яку можна знайти з виразу, наведеного вище.

При цьому процесі фотони випромінюються невпорядковано (стохастично), тобто фази хвиль таких фотонів не збігаються. Іншими словами, спонтанне випромінювання некогерентно. У разі відсутності інших механізмів, кількість збуджених атомів в момент часу t можна знайти як

де N₂ (0) – кількість збуджених атомів в момент часу t = 0, τ₂₁ – передбачуваний час до переходу між двома станами.

Вимушене випромінювання. Якщо атом вже знаходиться у збудженому стані, перехід до основного станом може відбутися примусово, якщо поряд пройде фотон частоти ν₂₁, відповідної енергії ΔE. При цьому атом випроменить другий фотон частоти ν₂₁. Оскільки перший фотон при цьому не поглинула, на виході ми будемо мати вже два фотони однакової частоти. Такий процес називається вимушеним випромінюванням. Кількість примусово випроменить атомів пропорційно числу атомів у збудженому стані N₂, а також інтенсивності зовнішнього випромінювання.

Ключовим моментом процесу вимушеного випромінювання є те, що другий фотон має ту ж частоту і фазу, що і перший. Іншими словами, обидва фотона когерентні. Ця властивість робить можливим процес оптичного підсилення, а, отже, і створення лазерів.

У процесі роботи лазера мають місце  всі три описаних вище механізму взаємодії світла з речовиною. У початковий момент атоми переходять в збуджений стан за допомогою процесу накачування, який описаний нижче. Деякі з цих атомів спонтанно некогерентних фотони частоти ν. Ці фотони повертаються в робоче тіло лазера за допомогою оптичного резонатора, елементу конструкції лазера. Частина цих фотонів поглинеться атомами, що знаходяться в основному стані, і вони будуть втрачені для процесу роботи лазера. Інша ж частина викличе вимушене випромінювання збуджених атомів, створюючи когерентні фотони. У результаті ми отримаємо оптичне посилення.

Якщо кількість фотонів, що беруть участь у посиленні за одиницю  часу більше числа фотонів, поглинутих атомами, загальна кількість фотонів почне збільшуватися, і можна буде сказати, що коефіцієнт посилення робочого тіла став більше одиниці.

Якщо використовувати наведені вище співвідношення для процесів абсорбції та вимушеного випромінювання, інтенсивність кожного процесу пропорційна кількості атомів в основному і збудженому стані N₁ і N₂. У випадку, якщо кількість атомів в основному стані набагато більше, ніж у збудженому (N₁> N₂), процес абсорбції буде домінувати і всі фотони поглинуть. У разі рівності цих величин (N₁ = N₂), кількість фактів поглинання буде відповідати кількості фактів вимушеного випромінювання, а робоче тіло буде оптично прозорим. Якщо ж кількість збуджених атомів буде переважати (N₁ <N₂), процес випромінювання буде домінувати.

 

 

Випромінювання  розряду

У газах одночасно з процесом іонізації протікає конкурентний процес – рекомбінація. Він полягає в тому, що позитивні і негативні іони (або позитивні іони й електрони) при зіткненні з'єднуються між собою. При цьому утворюються нейтральні атоми або молекули. Процес рекомбінації відбувається тим інтенсивніше, чим більше іонів виникає в процесі іонізації. Якщо припинити дію іонізатора, то незабаром кількість іонів у газі зменшуватиметься і зрештою іони зникнуть практично повністю.

При рекомбінації частинок вивільняється  певна енергія, що дорівнює енергії, витраченій на іонізацію. Частково вона випромінюється у вигляді світла, тому рекомбінація іонів супроводжується свіченням (свічення рекомбінації).

Електропровідність газів ніколи не дорівнює нулю, тобто вільні заряди в газі є завжди. Іонізаторами в цьому випадку є випромінювання радіоактивних речовин, що є на поверхні Землі, і космічне випромінювання. Інтенсивність іонізації під впливом цих факторів невелика. Але навіть така незначна електропровідність призводить до серйозних наслідків, наприклад витоку зарядів наелектризованих тіл навіть при добрій їх ізоляції.

Самостійний розряд. Самостійним розрядом у газі називають такий розряд, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізуючого фактора.

Самостійний розряд виникає  в газі за певних умов. Якщо напругу  між електродами постійно підвищувати, то у певний момент сила струму різко зросте. Такий стрибок кривої пояснюється таким фактом: число іонів у газі різко зростає, тому що зі збільшенням напруги поле передає іонам настільки велику енергію, що при зіткненні таких іонів із нейтральними молекулами останні розбиваються на іони та електрони. При цьому загальна кількість іонів буде визначатися дією самого поля. Цей процес називається ударною іонізацією.

Спектри випромінювання

Світло сонця, електричної дуги чи лампочки розжарювання розкладаються в суцільну різнобарвну смужку з безперервним переходом одного спектрального кольору в інший, тобто виникає неперервний спектр. Непевність спектра свідчить про те, що в сонячному світі присутні коливання всіх можливих частот (довжин хвиль). Досліди показують що неперервний спектр випромінює розжарені тверді і рідкі тіла. Гази можуть випромінювати непевний спектр тоді, коли вони перебувають під досить великим тиском. Ця обставина свідчить про те, що існування непевного спектра обумовлено не тільки властивостями окремих випромінюючих атомів, а дуже залежать від взаємодії атомів між собою. Бліде полум‘я газового паяльника чи спиртівки дає ледь помітний непевний спектр. Внесемо в це полум‘я шматочок азбесту, змоченого розчином кухонної солі. На фоні ледь помітного неперервного спектра полум‘я спалахує яскрава жовта лінія. Речовина, випаровуючись у полум‘ї пальника, дають спектр у вигляді кольорових ліній різної яскравості, розділених широкими смугами. Такі спектри називаються лінійчатими.

Вивчення лінійчатих спектрів різних речовин показало, що лінійчаті спектри  випромінюють всі речовини в газоподібному  атмосферному стані, причому кожен  хімічний елемент дає свій лінійчатий спектр, який не збігається зі спектрами інших елементів.

 

ЛЕКЦІЯ №7

Ла́мпа розжа́рювання (жарі́вка) – освітлювальний прилад, штучне джерело світла. Світло випромінюється нагрітою металевою спіраллю при протіканні через неї електричного струму

1. Вплив природи тіла (нитки) розкалювання та речовини в резервуарі лампи

Основною властивістю  газу є те, що він заповнює весь доступний  простір, не утворюючи поверхні. Гази завжди змішуються. Газ – ізотропна речовина, тобто його властивості не залежать від напрямку. Основною характеристикою газу є його густина, тобто маса газу в одиниці обєму. Іншою характеристикою є тиск. За відсутності сил тяжіння тиск у всіх точках газу однаковий (див. Закон Паскаля).

В полі сил тяжіння  густина й тиск не однакові в кожній точці, зменшуючись із висотою за барометричною формулою. Відповідно в полі сил тяжіння неоднорідною стає суміш газів. Важчі гази мають тенденцію осідати нижче, а легші – підніматися вгору. В полі тяжіння на будь-яке тіло в газі діє Архімедова сила, яку використовують повітряні кулі, заповнені легкими газами або гарячим повітрям.

Газ має високу стисливість – при збільшенні тиску зростає його густина. При зростанні температури розширюються. При стискуванні газ може перейти в рідину, але конденсація відбувається не за будь-якої температури, а за температури, нижчій за критичну температуру. Критична температура є характеристикою конкретного газу й залежить від сил взаємодії між його молекулами. Так, наприклад, газ гелій можна зрідити тільки за температури, нижчій від 4,2 К.

Існують гази, які  при охолодженні переходять у  тверде тіло, оминаючи рідку фазу. Перетворення рідини в газ називається випаровуванням, а безпосерденє перетворення твердого тіла в газ – сублімацією

Лампи розжарювання та газорозрядні лампи місцевого  і загального освітлення повинні мати абажури-відбивачі і встановлюватися таким чином, щоб унеможливити засліплювальну дію світлового потоку. Застосовувати незахищені лампи не дозволяється.

У вологих, особливо вологих і жарких приміщеннях використання люмінесцентних ламп для місцевого освітлення допускається лише з арматурою спеціальної конструкції.

Розташування світильників місцевого освітлення повинно бути таким, щоб на робочій поверхні був відсутній відблиск, не було затемнених місць, а пряме світло лампи не потрапляло в поле зору працівника..