Спектри кристалів
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Спектри кристалів

Спектри кристалів (оптичні) по структурі всілякі. Поряд з вузькими лініями вони містять широкі смуги (відношення частоти n до швидкості світла з від доль до декількох тис. см -1 ) і суцільні області спектру, тис. см -1 (див. Спектри оптичні ) . В інфрачервоної області спектрів поглинання спостерігаються смуги, пов'язані з квантовими переходами між енергетичними рівнями, обумовленими коливальними рухами часток кристала, яким супроводять зміни електричного дипольного моменту: поглинається фотон і народжується квант коливань кристалічної решітки фонон . Процеси, що супроводяться народженням декількох фононів, «розмивають» і ускладнюють спостережуваний спектр. У реальному кристалі зазвичай є дефекти структури (див. Дефекти в кристалах ) , поблизу них можуть виникати локальні коливання, наприклад внутрішні коливання домішкової молекули. При цьому в спектрі з'являються додаткові лінії з можливими «супутниками», обумовленими зв'язком локального вагання з гратчастими. У напівпровідниках деякі домішки утворюють центри, в яких електрони рухаються на водородоподобних орбітах. Вони дають спектр поглинання в інфрачервоної області, що складається з серії ліній, що закінчуються безперервною смугою поглинання (іонізація домішки). Поглинання світла електронами провідності і дірками в напівпровідниках і металах починається також в інфрачервоної області (див. Металооптика ) . В спектрах магнітоупорядоченних кристалів аналогічно фононам проявляють себе магнони (див. Хвилі спинів ) .

  В спектрі розсіяного світла із-за взаємодії світла з коливаннями грати, при яких змінюється полярізуємость кристала, поряд з лінією вихідної частоти n про з'являються лінії, зрушені по обидві сторони від неї на частоту гратчастих коливань, що відповідає народженню або поглинанню фононів (див. Комбінаційне розсіяння світла, мал. 1 ). Акустичні гратчасті коливання приводять до того, що при розсіянні світла на теплових флуктуаціях в центральної (не зміщеною) релєєвськой лінії також з'являються бічні супутники, обумовлені розсіянням на флуктуаціях, що поширюються, щільності (див. Розсіяння світла ) .

  Більшість неметалічних кристалів за інфрачервоною областю в певному інтервалі частот прозоро. Поглинання виникає знову, коли енергія фотона стає вистачає велика, щоб викликати переходи електронів з верхньої заповненої валентної зони в нижню частину зони провідності кристала. Спектр цього інтенсивного власного поглинання світла відображує структуру електронних енергетичних зон кристала і тягнеться далі у видимий діапазон, у міру того як «включаються» переходи між ін. енергетичними зонами. Положення краю власного поглинання визначає забарвлення ідеального кристала (без дефектів). Для напівпровідників довгохвильовий кордон області власного поглинання лежить в ближньому інфрачервоної області, для іонних кристалів в ближньої ультрафіолетової області. Вклад у власне поглинання кристала поряд з прямими переходами електронів дають і непрямі переходи, при яких додатково народжуються або поглинаються фонони. Переходи електронів із зони провідності у валентні зони можуть супроводитися рекомбінаційним випромінюванням.

  Електрон провідності і дірка завдяки електростатичному тяжінню можуть утворити зв'язаний стан — екситон. Спектр екситонів може варіюватися від водородоподобних серій до широких смуг. Лінії поглинання екситона лежать в довгохвильового кордону власного поглинання кристала ( мал. 2 ). Екситони відповідальні за електронні спектри поглинання молекулярних кристалів. Відома також екситон люмінесценція .

  Енергії електронних переходів між локальними рівнями дефектних центрів потрапляють зазвичай в область прозорості ідеального кристала, завдяки чому вони часто обумовлюють забарвлення кристала. Наприклад, в лужно-галоїдних кристалах збудження електрона, локалізованого в аніонній вакансії (F-центр забарвлення), приводить до характеристичного забарвлення кристала. Різні домішкові іони (наприклад, Тl в КСl) утворюють центри люмінесценції в крісталлофосфорах . Вони дають електронно-коливальні (вібронниє) спектри. Якщо фононна (вібронноє) для електрона взаємодія в дефектному центрі слабка, то в спектрі з'являється інтенсивна вузька бесфононная лінія (оптичний аналог лінії Мессбауера ефекту ), до якої примикає «фононне крило» із структурою, що відображає особливості динаміки кристала з домішкою ( мал. 3 ). Із зростанням вібронного взаємодії інтенсивність бесфононной лінії падає. Сильний вібронная зв'язок приводить до широких безструктурних смуг. Оскільки частина енергії збудження в процесі коливальної релаксації до випромінювання розсівається в останньому кристалі, максимум смуги люмінесценції лежить по довгохвильову сторону від смуги поглинання (правило Стоксу). Інколи до моменту випускання світлового кванта в центрі не встигає встановитися рівноважний розподіл по коливальних підрівнях, при цьому можлива «гаряча» люмінесценція.

  Якщо кристал містить як домішки атоми або іони перехідних або рідкоземельних елементів, з недобудованими f- або d-оболонкамі, то можна спостерігати дискретні спектральні лінії, відповідні переходам між підрівнями, що виникають в результаті розщеплювання атомних рівнів внутрішньокристалічним електричним полем (див. Кристалічне поле, Квантовий підсилювач ) .

 

  Літ. див.(дивися) при ст. Спектроскопія кристалів .

  Н. Н. Крістофель.

Спектри оптичні. Спектр вугільної дуги (смуги молекул CN і C2).

Мал. 3. Бесфононная лінія і фононне крило в спектрі поглинання домішкової молекули No 2 - в KI при температурі рідкого гелію.

Мал. 2. Довгохвильова ділянка власного поглинання кристала КВr при температурі рідкого азоту. Перші два інтенсивні піки з боку низьких енергій відповідають екситонам. Область власного поглинання починається за другим піком.

Спектри оптичні. Спектр випускання пари молекули йоду.

Мал. 1. Спектр комбінаційного розсіяння кристала дігидрофосфата калія (KDP) при різних температурах. По осі абсцис відкладено відношення зрушення частоти (n - n про ) до швидкості світла.

Спектри оптичні. Спектр міді.

Спектри оптичні. Суцільний спектр.

Спектри оптичні. Спектр натрію.

Спектри оптичні. Спектр атомарного водню.

Спектри оптичні. Лінії поглинання (фраунгоферови лінії) в спектрі Сонця.