Возбужденного состояния

В качестве другого источника световой энергии при сварке применяют квантовый генератор (лазер). Генерирование световой энергии происходит в материале активного элемента в результате оптической накачки. Когда монокристалл, такой как рубин (А1203 с примесью 0,03—0,07% Сг), облучается мощной импульсной дуговой лампой, некоторая часть этой энергии абсорбируется атомами хрома в кристалле и переводит эти атомы в возбужденное состояние. Возвращаясь в основное состояние, атом испускает фятон. Эти фотоны, проходя через лазерный кристалл, в свою очередь, стимулируют другие атомы к разрядке. При этом также испускаются фотоны, имеющие ту же фазу колебаний.

Для механической обработки используют твердотелые ОКГ, рабочим элементом которых является рубиновый стержень, состоящий из оксидов алюминия, активированных 0,05 % хрома. Рубиновый ОКГ работает в импульсном режиме, генерируя импульсы когерентного монохроматического красного цвета. При включении пускового устройства ОКГ электрическая энергия, запасенная в батарее конденсаторов, преобразуется в световую энергию импульсной лампы. Свет лампы фокусируется отражателем на рубиновый стержень, и атомы хрома приходя! в возбужденное состояние. Из этого состояния они могут возвратиться ,в нормальное, излучая фотоны с длиной волны 0,69 мкм (красная флюоресценция рубина).

Взаимодействие фотонов с возбужденными атомами дает лавинообразные потоки фотонов в различных направлениях. Наличие торцовых зеркальных поверхностей рубинового стержня приводит к тому что при многократном отражении усиливаются свободные световые колебания в направлении оси стержня рубина вследствие стимулирования возбужденными атомами. Спустя 0,5 мс более половины атомов хрома приходит в возбужденное состояние, и система становится неустойчивой. Вся запасенная энергия в стержне рубина одновременно высвобождается, и кристалл испускает ослепительный яркий красный свет. Лучи света имеют высокую направленность. Расходимость луча обычно не превышает 0,1°. Системой оптических линз луч фокусируется на поверхности обрабатываемой заготовки (рис. 7.15).

характер. При выбивании электрона с внутренней оболочки атома под действием тормозного излучения последний приходит в возбужденное состояние. Освобожденное в оболочке место тотчас заполняется другим электроном с более удаленных оболочек. После этого атом приходит в нормальное состояние и испускает квант характеристического излучения, используемый при рентгено-струк-турном анализе (рис. 5.2).

Сущность получения лазерного луча заключается в следующем. За счет накачки внешней энергии (электрической, световой, тепловой, химической) атомы активного вещества излучателя переходят в возбужденное состояние. Через некоторый промежуток времени возбужденный атом может излучить полученную энергию в виде фотона и возвратиться в исходное состояние. Фотон представляет собой элементарную частицу, порцию света, обладающую нулевой массой покоя и движущуюся со скоростью, равной скорости света ,в вакууме. Фотоны возникают (излучаются) в процессах перехода атомов, молекул, ионов и атомных ядер из возбужденных состояний в более стабильные состояния с меньшей энергией. При определенной степени возбуждения происходит лавинообразный переход возбужденных атомов активного вещества-излучателя в более стабильное состояние. Это создает когерентное, связанное с возбужде-

Именно такие спонтанные процессы излучения и происходят в нагретых телах. Нагрев переводит часть атомов в возбужденное состояние и при переходе в нижние состояния они излучают свет. Это излучение атомов происходит независимо друг от друга. Кванты света хаотически испускаются атомами в виде так называемых волновых цугов, которые не согласованы друг с другом во времени и имеют различную фазу. Поэтому спонтанное излучение некогерентно.

Кроме тормозного излучения, имеющего непрерывный спектр, возникает другое излучение, именуемое характеристическим или фотонным, которое возникает в результате изменения энергетического состояния атомов и имеет дискретный (прерывистый) характер. При выбивании электрона с внутренней оболочки атома под действием тормозного излучения последний приходит в возбужденное состояние. Освобожденное в оболочке место тотчас заполняется другим электроном с более удаленных оболочек. После этого атом приходит в нормальное состояние и испускает квант характери-

04.14. Атом массы mi испытал неупругое столкновение с покоившейся молекулой массы т2. После соударения обе частицы разлетелись под углом 0 друг к другу с кинетическими энергиями ТУ и ТУ соответственно, причем молекула оказалась в возбужденном состоянии — ее внутренняя энергия увеличилась на определенную величину Q. Найти Q, а также пороговую кинетическую энергию атома, при которой возможен переход молекулы в данное возбужденное состояние.

ваются две частицы одинаковой массы и обладающие равными, но противоположными по направлению Скоростями ±v\. Чему будут равны скорости после столкновения? Центр масс покоится и должен оставаться в состоянии покоя, так что конечные скорости ±v2 должны быть равны по величине, но противоположны по направлению. Если столкновение упругое, то, как этого требует закон сохранения энергии, конечная скорость и2 должна быть равна по величине и противоположна по направлению начальной скорости v\. Если же в результате столкновения одна или обе частицы приходят в возбужденное состояние, то из закона сохранения энергии следует, что в этом случае v2 < v\. Если же одна или обе частицы первоначально уже находились в возбужденном состоянии за счет каких-то внутренних процессов, то после столкновения энергия их возбужденного состояния переходит в кинетическую энергию, и тогда У2 будет больше, чем v\.

находящееся в своем основном состоянии, поглощая фотон, переходит при этом в возбужденное состояние.

В настоящее прем я существует большое число моделей на основе концепций механики сплошных ере; позволяющих прогнозировать свойства (в основном модель упругости Е) полимерных композитов. Однако, каждая такая модель работает в достаточно узком интервале условий, для которых она и разрабатывалась. В настоящем докладе предлагается модель для прогнозирования величины Е дисперно-нмполненных полимерных компонентов, использующая совершенно другие принципы и основанная Но кластерной модели структуры аморфного состояния полимеров, методах синергетики деформируемого телп и фрактального анализа. Эта модель предполагает, что введение в полимерную матрицу дисперного наполнения приводит к видоизменению структуры и свойств матрицы, а именно, к ее переходу, в энергетически более возбужденное состояние. В дальнейшем параметры отого состояния определяют свойства, в том числе и Е, дисперно-нпполненного композита. .Еще одной возможной ролью наполнителя являются удерживание матрицы в указанном состоянии. На реальность такой трактовки указывает сильная температурная зависимость свойств полимерных композитов, хотя характеристики Наполнителя при этом практически не меняются. В качестве параметра, характеризующего энергетическое состояние полимерной матрицы, была выбра-n.'i размерность областей локализации избыточной энергии Df. Была обнаружена линейная зависимость Е от Df для полимеров различных классов (линейных аморфных, аморфно-кристаллических, и сетчатых), а также композитов, которая экстраполируется к Е •«? О при Df - 3. Величина Dr•= 3 соответствует полностью отрелаксировавше-му полимеру. Наклоны графиков E(Dr) для полимерного композита и эпоксидной" матрицы и эпоксиполимера без наполнителя оказались равными, если п композите реализована идеальная адгезия но меж-фа.чной границе полимер-наполнитель. В случае частичной адгезии наклон уменьшается, что означает меньший Е при такой же величине D-. Следовательно, отношение наклонов графиков E(Df) может служить мерой межфпзной адгезии для полимерного композита.

Мы предполагаем, что удар совершается в условиях, когда на оба тела не действуют внешние силы. Удар может быть или упругим, или неупругим. При упругом ударе вся кинетическая энергия сталкивающихся частиц сохраняется после удара как кинетическая энергия тех же частиц. При неупругом ударе часть кинетической энергии сталкивающихся частиц переходит после удара в какой-либо вид внутренней энергии возбужденного состояния (например, в теплоту) одной или более частиц. Важно убедиться, что закон сохранения импульса можно применять даже к неупругому удару.

ваются две частицы одинаковой массы и обладающие равными, но противоположными по направлению Скоростями ±v\. Чему будут равны скорости после столкновения? Центр масс покоится и должен оставаться в состоянии покоя, так что конечные скорости ±v2 должны быть равны по величине, но противоположны по направлению. Если столкновение упругое, то, как этого требует закон сохранения энергии, конечная скорость и2 должна быть равна по величине и противоположна по направлению начальной скорости v\. Если же в результате столкновения одна или обе частицы приходят в возбужденное состояние, то из закона сохранения энергии следует, что в этом случае v2 < v\. Если же одна или обе частицы первоначально уже находились в возбужденном состоянии за счет каких-то внутренних процессов, то после столкновения энергия их возбужденного состояния переходит в кинетическую энергию, и тогда У2 будет больше, чем v\.

Доказательством возникновения сильно возбужденного состояния вещества в контактной зоне (образования трибоплазмы) при трении пар сталь—бронза со смазкой является ионизация воздуха вблизи поверхности трения при нарушении режима граничного трения.

рами. Во многих случаях нуклиды с одинаковыми А и Z могут существовать с энергией, превышающей энергию своего нормального, основного состояния. Если период полураспада таких состояний очень мал, то считается, что нуклиды находятся в возбужденном состоянии. Если же период полураспада этих состояний не очень мал, то такие нуклиды называются изомерами. Иногда период полураспада основного состояния нуклида оказывается значительно меньше, чем у его возбужденного состояния. Ядро может переходить из изомерного состояния в основное путем испускания электромагнитного излучения или может испытать радиоактивный распад по схеме, отличной от схемы распада основного состояния. Ядро обозначается символом элемента (который определяет величину Z), индекс слева вверху равняется массовому числу А, например 160, 18F. Справа внизу пишется заряд ядра Z: 16O8, 18F9. Такие обозначения удобны при записи уравнений ядерных превращений, в которых сохраняется массовое число или заряд ядра.

Ширина спектральной линии может изменяться при процессах, ограничивающих время жизни возбужденного состояния и моделирующих случайным образом энергетические состояния. К таким процессам относятся различные виды соударений (например, соударение излучающего атома в газе с нейтральными атомами, ионами и электронами, со стенками сосуда), а также взаимодействие излучающего атома с кристаллической решеткой в твердом теле. Все эти процессы сокращают время жизни атома на данном энергетическом уровне и, согласно (14), приводят к увеличению AtF, т. е. к расширению спектральной линии. Однако и в этих случаях форма спектральной линии определяется уравнением (17), получившим название лоренцевой формы.

В стационарном режиме населенность возбужденного состояния ионов в первом приближении

где Ne и NI — концентрация электронов и ионов в плазме; ve — средняя скорость хаотического движения электронов; а,„ — максимальная величина сечения электронного возбуждения; т — время жизни возбужденного состояния иона; AW — разность энергий между возбужденным и основным состояниями; Те — электронная температура.

красителя. Основное состояние невозбужденной молекулы состоит из совокупности колебательных уровней. Каждый колебательный уровень содержит ряд вращательных подуровней, и таким образом получается достаточно широкая полоса энергетических уровней. Возбужденное состояние имеет такую же структуру энергетических уровней. При возбуждении молекула переходит с низшего уровня основного состояния на один из верхних уровней первого возбужденного состояния; затем молекула совершает безызлучательный переход на дно первого возбужденного состояния — верхний рабочий уровень. Нижним рабочим уровнем является один из уровней полосы невозбужденного состояния. С нижнего рабочего уровня в основное невозбужденное состояние молекула совершает безызлучательный переход.

Рассмотренные процессы испускания электромагнитной энергии относятся к неподвижным и отдельно взятым атомам и молекулам. Если же рассматривать совокупность движущихся и взаимодействующих между собой частиц, из которых состоит реальное вещество, то спектр их излучения будет иным по сравнению со спектром отдельной неподвижной частицы. Прежде всего за счет эффекта Допплсра тепловое движение излучающих атомов, молекул, ионов приводит к изменению частоты излучения частицы относительно неподвижной системы координат. Это в свою очередь приводит к так называемому допплеровскому уширению спектральных линий. К уширению линий приводит также столкновение частиц между собой, вызывающее сокращение времени жизни возбужденного состояния и возмущение или смещение уровней. Оба фактора (эффект Допплера и взаимодействие частиц между собой) проявляются тем сильнее, чем выше температура и давление вещества. Таким образом, спектры излучения зависят как от химической природы излучающих веществ (определяющей структуру атомов и молекул), так и от термодинамических параметров (температуры и давления), при которых данное вещество находится.

друг другу лишь в условиях термодинамического равновесия. При наличии радиационного теплообмена 'качественный характер изменения обеих величин можно установить, 'исходя из следующих упрощенных представлений. Как отмечалось выше, процесс теплового излучения заключается в последовательном превращении кинетической энергии движения частиц вещества в энергию их возбужденного состояния и затем в испускаемую электромагнитную энергию. Обратный процесс поглощения излучения веществом сопровождается последовательным превращением электромагнитной энергии в энергию возбуждения атомов и молекул, а последняя затем превращается в кинетическую энергию их движения. В случае термодинамического равновесия результирующий обмен энергией отсутствует (?pe3iV =0) и оба процесса (излучешие и поглощение) в точности сбалансированы, а объемные плотности всех трех видов энергии (кинетической энергии движения частиц, энергии их

Если же состояние термодинамического равновесия не имеет места, то в -результате радиационного теплообмена тело воспринимает или отдает энергию. Когда тело воспринимает энергию излучения и превращает ее в теплоту (?pe3V >0), то процесс поглощения электромагнитной энергии доминирует над тепловым излучением. В этом случае вследствие отмеченной последовательности превращений энергии объемная плотность энергии возбужденного состояния частиц будет превышать ее значение, имеющее место для состояния термодинамического равновесия тела при той же кинетической