2.2. Поглощение электромагнитных волн твердым телом

В настоящее время электромагнитные колебания изучены в очень широкой области спектра, энергия квантов меняется от 0 до GeV (10⁹ eV). На рис.1 приведена часть спектра в области от 10^-9 до 10⁶ eV, что соответствует длинам волн  = 10³-10^-12 m или частотам  = 10⁵-10²⁰ (s^-1 = Hz).

1) Глаз видит лишь очень узкую область спектра 380-760 nm (3,26-1,63 eV).  ‑ это расстояние между соседними пиками волн, а частота  характеризует число пиков волн, которые проходят через фиксированное место за 1 s. Фотон, квант электромагнитной волны, переносит энергию h, ее обычно выражают в [eV]. Фотону с длиной волны  = 1239,8 nm соответствует энергия h = 1 eV [ = c/].

2) Область  = 380-190 nm (h = 3,25-6,5 eV) обычно называют ультрафиолетовой (УФ) областью спектра.

3) При больших h воздух уже не пропускает свет и область  = 180-31 nm (h = 6,8-40 eV) называют областью вакуумного ультрафиолета (ВУФ). Изучение такой энергии может распространяться только в вакууме.

4) При h > 40 eV приходится изменять конструкцию спектральных проборов, т.к. при падении света с такими короткими  практически нет отражения света при нормальном падении (прибор с так называемым скользящим падением). Область 40 eV ‑ 20 keV – это область мягкого рентгеновского излучения (soft Х-ray), а еще большие h > 20 keV соответствуют широко используемым медиками рентгеновским лучам, испускаемым при торможении электронов в твердом теле или при возбуждении электронов внутренних оболочек тяжелых атомов.

5) Область 10⁵-10⁷ eV (10¹⁹-10²¹  Hz) - соответствует -излучению, возникающему при переходах в ядрах атомов в результате различных ядерных реакций. (В противоположной к -излучению области спектра находятся радиоволны, обусловленные колебаниями свободных зарядов).

Очень важно иметь источники излучения, охватывающие как можно более широкую область спектра электромагнитных волн. В последние 30 лет очень широко используется синхротронное излучение, которое простирается от далекой ИК области (1 meV) до рентгеновской области спектра (10⁵ eV). История открытия синхротронного излучения достаточно интересна. В середине ХХ века активно строили различные конструкции ускорителей электронов, позитронов, протонов и старались максимально ускорить частицы (т.е. достичь высоких энергий). Но оказалось, что разгон частиц до скоростей близких к скорости света не привел к росту энергии частиц. Релятивистские частицы испускали сильное излучение и таким образом теряли энергию. С этим излучением специалисты в физике больших энергий боролись, но оказалось, что его можно использовать для других целей. Ускорение частиц обычно происходит в вакуумированных металлических установках и "вредного" для ускорения частиц излучения долго просто не видели. Но один из любознательных инженеров просверлил отверстие в стенке установки и вакуумно плотно закрыл его кварцевым окошком. Вот через это окошко он и увидел сильнейшее свечение во всей видимой области спектра, а затем свечение зарегистрировали и в ИК, УФ и ВУФ областях спектра. Как я уже сказал, сейчас строят специальные ускорители электронов (или позитронов), которые являются идеальными источниками излучения со сплошным спектром в необычайно широком диапазоне.

Коротковолновое излучение (большие h) используется для изучения топографии клеток живых организмов, бактерий (их размер на 2 порядка меньше), вирусов (еще на 1 порядок меньше), вплоть до отдельных молекул. Кстати, в недалеком прошлом ученые были заняты микроэлектроникой, в которой размеры элементов электрических устройств на твердом теле достигали 1 m = 10^-6 m, а сейчас стоит проблема разработки электрических устройств с элементами  100-10 nm, т.е. переходим к эре наноэлектроники. Фундаментальная наука уже давно интересуется и процессами, развивающимися в областях 3-0,3 nm.

Т еперь вернемся к теме этого раздела – спектрам поглощения твердотельных материалов, широко используемых в качестве оптических (люминесцентных) детекторов и дозиметров радиации. Поглощение определяется законом Бугера, который в упрощенном виде можно записать:

I = I₀ e^-d , или I = I₀ 10^-d/2,3 (2)

где  – коэффициент поглощения (причем  = (), а d – толщина слоя). При малых оптических плотностях (d –оптическая плотность), когда d << 1, выражение упрощается I = I₀(1 ‑ d).

При измерении спектра поглощения диэлектрических кристаллов в широкой области в идеальном случае имеем дело с величинами  от 0 до 10⁷ cm^-1. На рис.2 схематически изображен спектр типичного бинарного (т.е. M⁺X^-) ионного кристалла, построенного из положительных ионов (например, K⁺) – катионов и отрицательных ионов (например, F^-) – анионов. По оси абсцисс отложена энергия поглощаемых фотонов (энергию принято выражать в электрон-вольтах), а по оси ординат – коэффициента  из закона Бугера (3). Отличительной чертой типичного диэлектрика (изолятора) является широкая область (от десятка meV до почти 10 eV), где поглощение практически отсутствует – фотоны с такой энергией беспрепятственно проходят сквозь кристалл и соответствующую область спектра называют областью прозрачности кристалла.

В области энергий фотонов больших чем 10 eV коэффициент поглощения резко возрастает и достигает величин 10⁶ cm^-1. Это означает, что падающий на кристалл фотон поглощается в тонком слое d  10^-6 cm (согласно ф-ле Бугера на этой глубине поток I ослабляется в e-раз). Эта область больших значений  называется фундаментальным поглощением (или собственным). В бинарных ионных кристаллах фундаментальное поглощение связано с возбуждением и ионизацией электронов на внешних электронных оболочках анионов и катионов. Для ионов F^- эти процессы начинаются около 10 eV, для ионов K⁺ ‑ около 20 eV. При больших h (в рентгеновской области спектра) осуществляется возбуждение и ионизация внутренних (т.е. более близких к ядру) электронных оболочек анионов и катионов.

Поглощение в области малых h связано с возбуждением фотонами оптических и акустических колебаний ионов. В этой области спектра величины  значительно меньше. Дело в том, что соотношение между величинами  в случае возбуждения легких электронов или при возбуждении колебаний тяжелых ионов определяется соотношением m / M (где m - масса электрона, а M – иона).

Отметим, что если кристалл не идеален и часть ионов заменена примесными анионами или катионами, то это находит свое отражение в спектре поглощения диэлектрика. Так если K⁺ заменен примесным Tl⁺ ионом, который более тяжелый, то в области прозрачности появится новая полоса поглощения, соответствующая возбуждению внешних электронов этих примесных Tl⁺ ионов. При введении в кристалл легких примесных ионов (например, H^-, которые замещают F^-) появляется новая полоса поглощения в области возбуждения колебаний ионов (колебания H^- осуществляются с несколько большей частотой , чем F^- ионы основного вещества).

Итак, как вы видите, в типичном ионном кристалле – диэлектрике величина  изменяется от 0 до 10⁶-10⁷ cm^-1. Обычные стандартные спектрофотометры, которые используются для измерения спектров поглощения, связанных с созданием электронных возбуждений, легко измеряют величины d  4. Толщина монокристаллов, используемых для этой цели, обычно d  0,1 mm. На таких объектах хорошо промеряется поглощение, связанное с примесными электронными возбуждениями, и начало фундаментального поглощения. Однако в области, где   10⁶ cm^-1 приходится работать с очень тонкими слоями материала (d  1 m), получаемые методом сублимации на прозрачную подложку. Другой вариант: измеряют спектр отражения электромагнитных волн от поверхности диэлектрика. Величина R = I_R / I_o легко измеряема (отношение интенсивности отраженного света к интенсивности падающего света). А затем полученные данные R = R(h) обрабатывают по разработанным методикам и вычисляют спектр поглощения (о дисперсионных соотношениях Крамерса-Кронига, используемых для этой цели мы поговорим несколько позже).