2. Элементарные физические явления в твердотельных материалах
2.1 Люминесценция
Я начну с определения одного из основных оптических явлений, которое активно используется для детектирования или дозиметрии разных видов радиации с помощью твердотельных материалов. Если твердое тело находится в возбужденном состоянии, то может наблюдаться испускание электромагнитного излучения – люминесценция (т.е. это процесс обратный поглощению света). Вообще говоря, существует несколько видов свечения вещества: температурное излучение, люминесценция, отражение и рассеяние света, излучение Вавилова-Черенкова.
Академик Сергей Вавилов дал следующее определение: люминесценция есть избыточное над тепловым испускание тела в том случае, если этот избыток обладает конечной длительностью, превышающей время фазовой релаксации (период световых колебаний, ~10-14-10-15 s. Обычно у фотолюминесценции = 10-9 – 10-6 s).
Первая часть определения отделяет люминесценцию от теплового излучения, которое является равновесным (т.е. для его появления не требуется никаких внешних воздействий). Из общего курса физики и своего собственного опыта вы знаете, что тела, нагретые до достаточно высокой температуры, испускают тепловое свечение, распределение которого по энергии излучаемых фотонов (h, или ‑ длине волны излучения) дается с учетом квантовых эффектов распределением Планка для абсолютно черного тела. Поток, излучаемый единицей поверхности по всем направлениям, называется испускательной способностью (эмиссионная способность).
(1)
Итак, температура – это параметр от которого резко зависит тепловое излучение: чем выше Т, тем ярче светится абсолютно черное тело и при росте Т максимум кривой распределение смещается в область больших .
Если имеем дело не с абсолютно черным телом, то нужно учесть коэффициент черноты, реальные тела излучают меньше (их поглощательная способность < 1, а излучение тем значительнее, чем больше поглощение). Используют такое понятие как яркостная температура тела – это T абсолютно черного тела, при которой оно имеет такое же спектральное распределение (1). Распределение солнечной радиации соответствует T ~ 6000 K в (1), излучение ламп накалывания обычно соответствует T 3000 K. Итак, люминесценция – это надтепловое свечение (т.е. сверхравновесное).
Вторая
часть определения позволяет отделить
люминесценция от других типов
неравновесного свечения, имеющих очень
малую длительность (сравнимую с 10-15
s). Это отражение света, рассеяние света
и излучение Вавилова-Черенкова.
Если мы воздействуем на кристалл монохроматической радиацией (т.е. имеем неравновесный процесс) с энергией квантов hexc , то кроме истиной люминесценции кристалла и фотонов hexc, отражающихся от поверхностей кристалла, можно зарегистрировать там фотоны с несколько большей и меньшей энергией, hexc hvib – это так называемое комбинационное (или Рамановское) рассеяние, возникающее при взаимодействии внешнего излучения с колеблющимися ионами кристалла. Если в кристалле возможно, например, колебание с одной частотой hvib и hvib << hexc, то в результате рассеяния кроме фотонов hexc из кристалла выходят и hexc + hvib (когда энергия колебания добавляется к фотону), и hexc ‑ hvib (когда за счет части энергии падающего фотона происходит рождение фонона – кванта колебания). Длительность рассеянного света (как и отраженного) << 10-9 s.
Еще один случай надтеплового свечения, не являющегося люминесценцией, – это свечение Вавилова-Черенкова. Если кто-то из вас был на исследовательском реакторе (в 1961-98 гг. такой реактор был у наших коллег из Института физики в Саласпилсе) – то мог бы видеть довольно яркое голубое свечение в охлаждающем водяном бассейне реактора. Когда-то это свечение принимали за обычную люминесценцию примесей, находящихся в воде. Это свечение исследовал аспирант Вавилова П. Черенков: было установлено, что это очень быстрое свечение (как и отражение с рассеянием) обусловлено свечением электронов, движущихся в воде со скоростью выше скорости света в этой среде (но не в вакууме!). Аналог этого эффекта – резкий звук, который мы слышим, когда реактивный самолет при взлете превышает скорость звука. О различных типах люминесценции мы поговорим позже, после краткого рассмотрения квантовомеханической энергетической структуры твердых тел.