Связь электронной структуры с вариациями отражения » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Связь электронной структуры с вариациями отражения

18.04.2021

При обсуждении теории отражения света от полированных поверхностей обычно используется классический подход, основанный на уравнениях Максвелла для электромагнитных волн. Этот подход, имеющий важное значение для понимания показателей преломления и явлений поляризации, описан Галопеном и Генри. Однако он не может объяснить, почему, например, имеет место понижение отражения (при 496 нм) в ряду минералов, обладающих структурой пирита: FeS2 —> HZoS2 —> NiS2 —> CuS2. Вариации такого типа есть результат изменений в электронных структурах минералов и других веществ, и для их объяснения необходимо рассматривать свет скорее в виде фотонов, а не волн. Упрощенный подход такого типа, основанный на работах Бернса и Вогана и Вогана, позволяет дать физическую картину процесса отражения, а также делает возможным прогнозирование вариаций отражения в зависимости от состава.

Величины n, k, а также R (см. уравнение (5.1)) твердого тела зависят от взаимодействия фотонов света с электронами атомов в этом теле, а следовательно, от распределения в нем электронов (т. е. от его электронной структуры). Электроны, окружающие атомные ядра, размещаются на орбиталях, которые иногда представляются в виде сфер, гантелеобразных участков пространства и т. п. с ядром в центре. Вероятность нахождения электронов в их пределах наибольшая. Выражаясь более понятным языком, заметим, что один электрон в одной орбитали имеет строго определенную энергию, а электроны, которые добавляются в систему, будут иметь тем большие энергии, чем выше энергии занимаемой ими орбитали. Возможно также, что электрон в процессе возбуждения перемещается со своего нормального орбитального энергетического уровня (основнoe состояние) на свободную орбиталь более высокой энергии. Такое возбуждение требует энергии, которую может дать пучок света. Когда атомы сближаются, чтобы образовать соединения или минералы, внутренние орбитали остаются в основном неизменными, тогда как внешние орбитали перекрываются, формируя сложные молекулярные орбитали. Широкое перекрытие орбиталей в твердых телах приводит также к расширению прежде дискретных, строго определенных энергетических уровней и образованию зон пространственно сближенных уровней энергии. Оптические и другие электронные свойства веществ зависят от природы орбиталей наиболее высоких энергий или энергетических зон, содержащих электроны, и от пустых орбиталей наименьших энергий. Можно выделить три основных вида веществ, проиллюстрировав их диаграммой энергетических Уровней (рис. 5.16); это — изоляторы, полупроводники и металлы.
Связь электронной структуры с вариациями отражения

В изоляторе, таком, как чистый кварц, самые высокие орбитали (или валентная зона на рис. 5.16), содержащие электроны, целиком ими заполнены, и лишь пустые орбитали (или зона проводимости), в которых эти электроны могут быть возбуждены, имеют намного более высокую энергию. Чтобы вызвать подобное возбуждение, необходима несколько большая энергия, чем та, которую дает пучок видимого света, поэтому свет проходит сквозь вещество не поглощаясь. В этом случае k равен нулю, но n>1, так как частота света испытывает взаимодействие со связанными (внутренними) электронами. В металле валентную зону и зону проводимости можно рассматривать как взаимоперекрывающиеся (рис. 5.16). Электроны в заполненных орбиталях наиболее высоких энергий могут легко перемещаться в направлении к незаполненным орбиталям или от них, выделяя небольшое количество энергии (такой, как энергии видимого света). Следовательно, световая волна, падающая на поверхность металла, может заметно абсорбироваться (k>0), а также и замедляться (n>l). В данном случае отражение будет высоким, потому что свет вновь испускается, когда возбужденные электроны возвращаются в свое основное состояние. Это присуще многим металлам для всей области видимого света и многим непрозрачным минералам. Полупроводник (рис. 5.16) в его простейшем виде может рассматриваться как промежуточный случай между металлом и изолятором. Энергия, требующаяся для возбуждения в нем электронов в зоне проводимости, больше, чем в металле, но намного меньше, чем в изоляторе. Нередко сульфиды металлов и окислы относятся к полупроводникам, и для возникновения в них такого возбуждения требуется энергия порядка энергии видимого света.

В металле или полупроводнике электроны, возбужденные до уровня зоны проводимости, делокализованы и не принадлежат одному атому, т. е. они совершенно свободны и обусловливают электропроводность. Эффективное число свободных электронов nэфф может быть определено, и Бернс и Воган, нанеся значения nэфф для минералов типа пирита (FeS2, CoS2, NiS2 и CuS2) на график зависимости nэфф от R(%) (при λ 496 нм), установили линейную взаимосвязь между этими величинами. Данные, имеющиеся для CuSe2, СuТе2 и Ag, также согласуются с этой корреляцией, которая показывает, что отражение возрастает по мере увеличения эффективного числа свободных электронов. В соединениях типа пирита (см. рис. 5.17) уровни наибольших энергий, которые содержат электроны (3d-орбитали металлов), расщеплены на группу орбиталей более низкой энергии и группу орбиталей более высокой энергии, обозначаемые соответственно t2g и eg. В FeS2 t2g-орбитали заполнены электронами, а eg-орбитали пусты. Последовательное добавление электронов у членов ряда вплоть до CuS2 приводит к повышению заселенности еg-орбиталей (см. рис. 5.17). Эти еg-орбитали образуют зону, перекрываясь по всему кристаллу (на рис. 5.17 не показано), поэтому электроны, возбужденные до уровня еg-зоны, делокализованы (т. е. становятся действительно свободными). Как видно из рис. 5.17, обе величины nэфф и R(%) систематически уменьшаются в ряду FeS2>CoS2>NiS2>CuS2, а значения nэфф грубо пропорциональны числу пустых eg-уровней, до которых могут быть возбуждены t2g-электроны. Снижение отражения в ряду FeS2>CoS2>NiS2>CuS2 обусловлено заполнением уровней еg-орбиталей. Этот процесс приводит к тому, что лишь немногие из орбиталей остаются способными принимать возбужденные электроны, которые генерируют световую энергию, возвращаясь в основное состояние.

Таким образом отражение этих рудных минералов интерпретируется в свете их электронных структур и переходов электронов, которые осуществляются между основным и возбужденным состояниями, что приводит к поглощению и новому выделению энергии. Определенные переходы этого типа могут или же не могут иметь место в зависимости от относительной ориентировки пучка линейно поляризованного света и отражающего его кристалла. Точно так же может быть интерпретировано двуотражение в веществах, подобных графиту и молибдениту. Интерпретация данных об отражении изотропных и анизотропных фаз приводится в работе Вогана.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: