[Материаловедение] Вопросик про рубин

Странный вопрос, как, впрочем, и всегда. Разрешено все, что не запрещено правилами отбора.

Ничего не понял.

Al2O3 же было, не?

При определенных внешних воздействиях возможны любые переходы электронов. Сформулируй вопрос точнее.

> Al2O3 же было, не?

А примесь? Это как раз и Cr

Точно. Цвет.

Да, вопрос странный.

Меня интересует, почему рубин принимает красную окраску. Понятно что это из-за примеси Cr и то, что электроны, при облучении, переходят на другие энергетические уровни. Только не понимаю, почему электроны переходят.

Чуть выше объяснил, вроде уточнил.

...валентность?

А что еще могут делать электроны кроме как переходить с уровня на уровень (в особых случаях образовывать отрицательное бета-излучение) при облучении материала светом?

А можно чуть подробнее? Или ткните где прочитать? Не получается даже запрос в гугол правильный составить.

Механизм действия примесей на цвет (спектр пропускания) оптически прозрачных сред одинаков - это примесные уровни в запрещенной зоне, которые приводят к поглощению, например, зеленых и синих квантов. Красным маломощным квантам не хватает энерии для возбуждения электронов даже c этих близколежащих примесных уровней, вот красный и пропускается, не поглощаясь.

Это понятно что они ничего больше не могут, но почему они переходят?

Спасибо, стало более понятно про цвет и примеси.

Я понимаю что тупой вопрос, а почему электроны внутри 3d Cr3+ уровня переходят?

> Это понятно что они ничего больше не могут, но почему они переходят?

Фотон поглощается электроном -> энергия электрона увеличивается -> он переходит на более высокий энергетический уровень -> уровень нестабильный ибо нижние уровни свободны (он сам оттуда ушел) -> электрон испускает фотон соотв. частоты и возвращается на свой уровень.

> А можно чуть подробнее? Или ткните где прочитать? Не получается даже запрос в гугол правильный составить.

Любой учебник по квантовой оптике.

А я по рекомендации препода читаю общую минералогию )

Возможно поможет: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2254.html

>>почему электроны внутри 3d Cr3+ уровня переходят?

А почему бы им не переходить? Энергетические уровни по сравнению с изолированным атомом там сильно искажены присутствием соседей. Вырождение снимается - возможны разные переходы.

Ещё: http://www.bestreferat.ru/referat-82631.html

> почему рубин принимает красную окраску

Уровень 3d в хроме „плотнее“ уровня 4s, поэтому гибридизуются шустрее. В корундовой решётке хром обычно „заперт“ в кислородной поре и теряет 3 электрона, ионизируясь до Cr^{3+}. Из-за нескомпенсированных ионов на диаграмме кристаллической проводимости получаем акцепторный уровень → оптический переход при облучении → полосу в красной части спектра поглощения.

Более подробно см. „примесные центры окраски“.

почему электроны переходят

Очевидно, потому, что электронная оболочка перехватывает импульс поглощённого фотона. Поскольку электроны — ферми-частицы, перехватить можно только такой импульс, который переведёт электрон на свободный энергетический уровень.

Более подробно см. „электронная теория проводимости“.

спасибо, читал про лазер.

>>Из-за нескомпенсированных ионов на диаграмме кристаллической проводимости получаем акцепторный уровень → оптический переход при облучении → полосу в красной части спектра поглощения.

полосу в красной части спектра поглощения.

А как это объясняет тот факт, что на просвет рубин красный?

Или, может, не понятна физика электронного поглощения?

Да, скорее не понятно про электронное поглощение.

И вопрос как-то в ступор ввел меня.

Afair, полоса как раз с 650 нм начинается (на границе красной области) и вниз на меньшие длины волн. Что не так?

>>Afair, полоса как раз с 650 нм начинается (на границе красной области) и вниз на меньшие длины волн. Что не так?

Если речь о пике поглощения в красной области, то чтобы объяснить пропускание красного цвета, нужны дополнительные логические шаги.

> Если речь о пике поглощения в красной области, то чтобы объяснить пропускание красного цвета, нужны дополнительные логические шаги.

А мне всегда казалось, что мы видим отраженный свет.

> скорее не понятно про электронное поглощение

В кристаллической структуре вещества всегда наличествует периодическое электрическое поле, соответствующее конфигурации взаимоперекрывающихся электронных оболочек атомов структуры. Световой фотон — электромагнитная волна, колебание напряжённости электрического поля. Когда фотон приходит в кристаллическую структуру (= воздействие внешнего переменного поля), для того, чтобы его успешно поглотить, требуется перестройка электронных оболочек (= переход атома на другой энергетический уровень). Поскольку электрон — фермион, одинаковых оболочек (с одинаковым спином) быть не может, соответственно, возможна только перестройка оболочки в незанятую конфигурацию. Если импульса фотона недостаточно для перестройки оболочек, то фотон поглотиться не может, и соответственно отражается/пропускается (колебание передаётся дальше).

Проще — только на пальцах показать, словами не могу.

>>А мне всегда казалось, что мы видим отраженный свет.

Значит, неверно казалось. Много ты увидишь через светофильтр, если бы ты видел только отраженный свет?

> чтобы объяснить пропускание красного цвета, нужны дополнительные логические шаги

Очевидно, наличие красной границы подразумевается по умолчанию. За счёт появления дополнительных полос поглощения она „сползает“ из УФ (для чистого корунда) до видимой красной области (для рубина). Problem, officer?

> переход атома на другой энергетический уровень

s/атома/электрона/

> Значит, неверно казалось. Много ты увидишь через светофильтр, если бы ты видел только отраженный свет?

Я неверно сформулировал мысль. Я имел ввиду, что мы видим только тот свет, который пытался провзаимодействовать с электронной оболочкой, но фотоны не поглотились.

Согласен, просто мне казалось, что в случае донорного уровня можно один донорный электрон закидывать на любую высоту в зону проводимости, и легко получить непрерывный спектр поглощения, тогда как в случае акцепторного уровня для получения непрерывного спектра нужно каждый раз выковыривать разные глубоко сидящие электроны валентной зоны.

Так рубин это же оксид алюиния с примесью оксид хрома. Излучает за счёт примеси.

Внутри 3d уровня возможны переходы электронов из- за того. что он не полностью заполнен. Соответственно возможны варианты как нахождения 2 электронов на одной орбитали внутри этого уровня(основное состояние), так и нахождения тех же 2 электронов на разных орбиталях этого уровня(возбуждённое состояние). На самом деле ответ лежит на поверхности, просто нужно немного покопаться в теории строения вещества.

Ну, электрон приобретает энергию и переходит на свободную орбиталь внутри того же уровня- вот и вся премудрость.

Хотя да, вероятность перехода определяется только разницей уровней. Это же не термическое возбуждение, а просто чистый квант, ему пофигу из какой глубины выцеплять электрон.

скорее не понятно про электронное поглощение

Проще — только на пальцах показать, словами не могу.

Можно попытаться объяснить «как оно бывает», основываясь на прозрачности стекла/диэлектрика и непрозрачности металла:

http://www.bau.ua/artic/ua_1745

При падении световой волны на границу раздела «вакуум (воздух) — металл», волна частично отражается от металла, а частично проходит в глубь него. Коэффициент отражения (количественная доля отраженного света по отношению к падающему) зависит от длины волны света и от электропроводности металла. В металлах источниками вторичных волн являются в основном электроны проводимости. Поглощение света металлами обусловлено потерями энергии на их нагревание. Можно сказать, что световая волна в металле немедленно разрушается его проводимостью. При этом волны не могут сохраняться, ибо их электрические составляющие разрушаются свободными электронами металла. Свободные электроны в структуре металла могут легко мигрировать и нейтрализовать потенциал световых электрических составляющих. В результате происходит абсорбция (поглощение) энергии. Другими словами, металлы не могут поддерживать электрический потенциал (электрическое поле) в своем объеме, так как стремятся немедленно уравновесить его свободной электронной проводимостью.

При падении световой волны на плоскую границу раздела «вакуум (воздух) — диэлектрик (стекло)», волна частично отражается, а частично преломляется. Стекла по природе своих химических связей не имеют свободных электронов, которые оказываются связанными внутри твердой структуры с ионами или атомами. Постоянное электрическое поле может вызвать в стекле незначительное смещение электронов в пределах атомов (электронная поляризация), или ориентацию молекул вдоль направления электрического поля (дипольная поляризация). Таким образом, в объеме стекла создается собственное электрическое поле, направленное против внешнего поля. Результирующая напряженность электрического поля в стекле будет меньше, чем снаружи. Количественное отношение электрического поля в вакууме (воздухе) к электрическому полю в стекле и называется диэлектрической проницаемостью стекла:

e = Е0 / Ест ,

где: Е0 — напряженность электрического поля в вакууме (или воздухе); Ест — напряженность электрического поля в стекле.

При исчезновении внешнего поля, исчезает и поляризация в объеме стекла. Смещение электронов и молекул в стекле аналогично сжатию и отпусканию пружины, ибо они возвращаются в первоначальное положение. В случае воздействия на стекло электрическим полем световой волны, направление внешнего поля очень быстро меняется на противоположное — с частотой, характерной для каждого участка спектра излучения света. С такой же частотой изменяется и электрическое, (а, значит, и магнитное) поле внутри стекла. Таким образом, стекло поддерживает существование световой волны в своем объеме.

***

http://www.voprosy-kak-i-pochemu.ru/pochemu-steklo-i-led-prozrachny/

Молекулы стекла поглощают фотоны падающего на него света. В тот же момент молекулы стекла испускают в том же направлении такие же фотоны. Вот таким образом стекло оказывается прозрачным, то есть фактически оно пропускает свет.

> попытаться объяснить «как оно бывает»

Что характерно, про собственно электронное поглощение — ни слова. Только про плазмонное, да и то „навыворот“, от конца к началу.

>>Что характерно, про собственно электронное поглощение — ни слова. Только про плазмонное

Кстати, неужели не существует представления, где бы эти два явления выражались одно через другое? Разве в зонной структуре уже не сидят все свойства, плазмонные в том числе?

> Что характерно, про собственно электронное поглощение — ни слова.

Кхм... Вообще-то, предполагалось, что этот отрывок:

«Можно сказать, что световая волна в металле немедленно разрушается его проводимостью. При этом волны не могут сохраняться, ибо их электрические составляющие разрушаются свободными электронами металла. Свободные электроны в структуре металла могут легко мигрировать и нейтрализовать потенциал световых электрических составляющих. В результате происходит абсорбция (поглощение) энергии. Другими словами, металлы не могут поддерживать электрический потенциал (электрическое поле) в своем объеме, так как стремятся немедленно уравновесить его свободной электронной проводимостью.»

про «электронное поглощение»... Разве, нет?

Только про плазмонное, да и то „навыворот“, от конца к началу.

Не понял, при чём тут характеристические коллективные колебания валентных электронов
(плазмоны)?

Или что такое «плазмоны» и «плазмонное поглощение»?

> Я понимаю что тупой вопрос, а почему электроны внутри 3d Cr3+ уровня переходят?

Потому что там дыры в заполнении атомных орбиталей и такой переход впоследствие возможен.

Почитай отсюда

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D0%BB%D0%BE_%D0%A...

Ну и здесь для серьёзной затравки

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B...

Спасибо. Можно еще вопрос в догонку?

В каких частях видимого диапазона (указать цвет) произойдет поглощение (рисунок - http://rghost.ru/8868911.view) и что произойдет дальше?

Спасибо.

В результате поглощения излучения накачки ионы хрома переходят в одно из состояний 3. За счет спонтанного безызлучательного распада этих состояний ионы оказываются в метастабильных состояниях 2. Населенность состояний 2 при соответствующей плотности накачки может превысить населенность невоз­бужденного состояния и на переходах 2®1 возникает генерация.

Это вроде так? Только вот с цветом не пойму

В статье про Хунда маловато примеров. А вот по ссылке на Клечковского есть такой фрагмент, как раз про хром:

у атомов Cr, Cu, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au[1] имеет место “провал” электрона с s-подуровня внешнего слоя на d-подуровень предыдущего слоя, что приводит к энергетически более устойчивому состоянию атома, а именно: после заполнения двумя электронами орбитали 6s следующий электрон появляется на орбитали 5d, а не 4f, и только затем происходит заселение четырнадцатью электронами 4f орбиталей, затем продолжается и завершается заселение десятиэлектронного состояния 5d. Аналогичная ситуация характерна и для орбиталей 7s, 6d и 5f.

По Хунду порядок заполнения из правила не выбивается, но нужно считать по квантовым числам орбитальный момент, чтобы определить, какой будет больше.

Спасибо. А вот с этим вопросом, не могли бы уточнит/направить http://www.linux.org.ru/forum/talks/6330736?lastmod=1306914135086#comment-6332238

> В результате поглощения излучения накачки ионы хрома переходят в одно из состояний 3.

Состояние 3 — это зона (проводимости). Туда может попасть электрон при поглощении некоей произвольной энергии (накачке). Главное, чтобы этой энергии хватило для перехода на любой незаселённый уровень в этой зоне.

Состояние 2 — это какой-либо локальный уровень в запрещённой зоне, полученный за счёт внесения примеси в материал. Уровень узкий и находится рядом с дном зоны проводимости. То есть его могут электроны населять теряя энергию без излучения, просто за счёт теплового рассеяния. Его метастабильность означает, что энергетически это яма, но при этом дно этой ямы обладает высокой энергией. Аналогия — полка на стенке. Там может что-то лежать долго, но при первой же возможности упадёт на пол (окажется в энергетически стабильном состоянии). А вот с пола (стабильность) упасть уже никуда нельзя.

Состояние 1 — валентная зона (стабильная, яма с минимумом возможной энергии), которая заполняется частицами в соответствии с их статистикой. Так как расстояние от локального уровня до валентной зоны энергетически большое, то за счёт рассеяния туда электрону попасть невозможно, и электрон вынужден излучать излишки в виде света, частота которого определяется разницей энергии локального уровня и валентной зоны.

Я так понимаю, что разбирается схема когерентного излучения с тремя состояниями?

Может быть это всё тебе и так известно, но на пальцах примерно так.

> В каких частях видимого диапазона (указать цвет) произойдет поглощение

http://ru.wikipedia.org/wiki/Видимое_излучение#Спектр_видимого_излучения, дальше думай сам.

> и что произойдет дальше?

Очевидно, излучение соответствующей части спектра (= длины волны) поглотится.