Экспериментальное исследование спектров комбинационного рассеяния света исследуемых алмазов - Геология, гидрология и геодезия дипломная работа

Главная

Геология, гидрология и геодезия
Экспериментальное исследование спектров комбинационного рассеяния света исследуемых алмазов

Методы установления подлинности бриллианта. Физические основы комбинационного рассеяния света. Элементарное описание комбинационных оптических процессов. Спектроскопия комбинационного рассеивания света. Особенности рассеивания света в природных алмазах.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Алмаз -- минерал, кубическая аллотропная форма углерода. При нормальных условиях метастабилен и может существовать неограниченно долго, превращаясь в стабильный в этих условиях графит только при нагревании. Сингония кубическая, кристаллическая решетка -- кубическая гранецентрированная, а = 0,357 нм, z = 4, пространственная группа Fd3m (по Герману -- Могену). Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp?--гибридизации. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Именно прочная связь атомов углерода объясняет высокую твёрдость алмаза.
Главные отличительные черты алмаза -- высочайшая среди минералов твёрдость, наиболее высокая теплопроводность среди всех твёрдых тел, большие показатель преломления и дисперсия. Алмаз является диэлектриком. У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе -- всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких плёнок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие плёнки не образуются, коэффициент трения возрастает и достигает 0,5--0,55. Высокая твёрдость обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия. Энергия кристалла составляет 105 Дж/г-ат, энергия связи 700 Дж/г-ат -- менее 1 % от энергии кристалла. Температура плавления алмаза составляет 3700--4000 °C. На воздухе алмаз сгорает при 850--1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720--800 °C, полностью превращаясь в конечном счёте в углекислый газ. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз переходит в графит за 15-30 минут. Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в жёлтом цвете равен примерно 2,417, а для различных цветов спектра он варьируется от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового). Способность кристаллов разлагать белый свет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063. [http://ru.wikipedia.org/wiki/Алмаз]
Одним из важных свойств алмазов является люминесценция. Под действием солнечного света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать -- светиться различными цветами. Под действием катодного и рентгеновского излучения светятся все разновидности алмазов, а под действием ультрафиолетового -- только некоторые. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из породы.
Большой показатель преломления, наряду с высокой прозрачностью и достаточной дисперсией показателя преломления (игра цвета) делает алмаз одним из самых дорогих драгоценных камней (наряду с изумрудом и рубином, которые соперничают с алмазом по цене). Алмаз в естественном виде не считается красивым. Красоту придаёт алмазу огранка, создающая условия для многократных внутренних отражений. Огранённый алмаз называется бриллиантом.
Алмаз -- редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет назад алмазы в промышленных масштабах добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовые трубки, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях.
О происхождении и возрасте алмазов до сих пор нет точных научных данных. Учёные придерживаются разных гипотез -- магматической, мантийной, метеоритной, флюидной, есть даже несколько экзотических теорий. Большинство склоняются к магматической и мантийной теориям, к тому, что атомы углерода под большим давлением (как правило, 50000 атмосфер) и на большой (примерно 200 км) глубине формируют кубическую кристаллическую решётку -- собственно алмаз. Камни выносятся на поверхность вулканической магмой во время формирования так называемых «трубок взрыва». Возраст алмазов, по данным некоторых исследований, может быть от 100 миллионов до 2,5 миллиардов лет. Известны метеоритные алмазы, внеземного, возможно -- досолнечного, происхождения. Алмазы также образуются при ударном метаморфизме при падении крупных метеоритов, например, в Попигайской астроблеме на севере Сибири.
Кроме этого, алмазы были найдены в кровлевых породах в ассоциациях метаморфизма сверхвысоких давлений, например в Кумдыкульском месторождении алмазов на Кокчетавском массиве в Казахстане. И импактные, и метаморфические алмазы иногда образуют весьма масштабные месторождения, с большими запасами и высокой концентрацией. Но в этих типах месторождений алмазы мелки настолько, что не имеют промышленной ценности. Промышленные месторождения алмазов связаны с кимберлитовыми и лампроитовыми трубками, приуроченными к древним кратонам. Основные месторождения этого типа известны в Африке, России, Австралии и Канаде.
В 1961 году появились первые публикации фирмы «DuPont» о реализации идей получения алмаза путём прямого фазового перехода из графита. Синтез производился с использованием энергии взрыва, или непосредственно из продуктов взрыва некоторых ВВ, с отрицательным кислородным балансом (работы Шабалина), особенно удобен для получения алмазов тротимл. Это наиболее дешёвый способ получения алмазов, однако, «взрывные алмазы» очень маленькие и пригодны лишь для абразивов и напылений.
В настоящее время существует крупное промышленное производство синтетических алмазов, которое обеспечивает потребности в абразивных материалах. Для синтеза используется несколько способов. Один из них состоит в подготовке высокоуглеродистого сплава никель-марганец и его охлаждении под давлением в формах из твёрдого сплава (типа ВК). Выкристаллизовавшиеся мелкие алмазы отделяют после растворения металлической матрицы в смеси кислот.
Современные способы получения алмазов используют газовую среду, состоящую из 95 % водорода и 5 % углесодержащего газа (пропана, ацетилена), а также высокочастотную плазму, сконцентрированную на подложке, где образуется сам алмаз. Температура газа от 700--850 °C при давлении в тридцать раз меньше атмосферного. В зависимости от технологии синтеза, скорость роста алмазов от 7 мкм/час до 3 мкм/мин на подложке.
Алмаз уже многие столетия является популярнейшим и дорогим драгоценным камнем. В то время как цена других драгоценных камней определяется модой и постоянно меняется, алмаз остаётся островком стабильности на бурном рынке драгоценностей. В значительной степени такое устойчивое положение алмаза обусловлено высокой монополизацией этого рынка. Фирма «Де Бирс», на долю которой приходится около 50 % мировой добычи, разрабатывает месторождения Ботсваны, ЮАР, Намибии и Танзании.
Исключительная твёрдость алмаза находит своё применение в промышленности: его используют для изготовления ножей, свёрл, резцов и тому подобных изделий. Потребность в алмазе для промышленного применения вынуждает расширять производство искусственных алмазов. В последнее время проблема решается за счёт кластерного и ионно-плазменного напыления алмазных плёнок на режущие поверхности. Алмазный порошок (как отход при обработке природного алмаза, так и полученный искусственно) используется как абразив для изготовления режущих и точильных дисков, кругов.
Крайне перспективно развитие микроэлектроники на алмазных подложках. Уже есть готовые изделия, обладающие высокой термо- и радиационной стойкостью. Также перспективно использование алмаза, как активного элемента микроэлектроники, особенно в сильноточной и высоковольтной электронике из-за большой величины пробивного напряжения и высокой теплопроводности. При изготовлении полупроводниковых приборов на основе алмаза используются, как правило, допированные плёнки алмаза. Так, допированный бором алмаз имеет p-тип проводимости, фосфором -- n-тип. Из-за большой ширины зоны алмазные светодиоды работают в ультрафиолетовой области спектра. В 2004 году в институте физики высоких давлений российской академии наук (ИФВД РАН) впервые синтезировали алмаз, имеющий сверхпроводящий переход при температуре 2-5К (зависит от степени легирования). Полученный алмаз представлял собой сильнолегированный бором поликристаллический образец, позже в Японии получили алмазные плёнки, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах 4-12К. Пока сверхпроводимость алмаза представляют интерес лишь с научной точки зрения. Однако подавляющая часть (по стоимости) природных алмазов используется для производства бриллиантов.
В настоящей работе согласно требованиям технического задания рассматриваются вопросы совершенства способов идентификации природных алмазов.
1). Анализ и систематизация сведений о способах идентификации алмазов;
2). Рассмотрение комбинационного рассеяния света как способа идентификации природных алмазов;
3). Экспериментальное исследование спектров комбинационного рассеяния света исследуемых алмазов.
1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИДЕНТИФИКАЦИИ БРИЛЛИАНТОВ
Самым удобным и простым методом установления подлинности бриллианта является идентификация с помощью прибора для измерения теплопроводности (PRESIDIUM DUOTESTER). Далее, осуществляется проверка с помощью микроскопа, не является ли камень искусственным муассанитом.
Тестер драгоценных камней Presidium Duotester позволяет определять свойства драгоценных камней двумя способами. Duotester измеряет не только теплопроводность камня, но и отражательную способность, таким образом, в одном приборе соединены два тестера.
С помощью карандаша-зонда определяется теплопроводность, исследовать можно как камни в оправе, так и без неё. Цветные драгоценные и ювелирные камни, имитации диагностируются с помощью теста на теплопроводность (стекло, гранат, турмалин, иолит, танзанит, аквамарин, хризопраз, изумруд, кварц, аметист, цитрин, жадеит, шпинель, топаз, рубин, сапфир).
На цилиндрической платформе определяется отражательная способность камня. Диагностике подвергаются только камни без оправы, кроме того камни не должны иметь покрытия. Бесцветные имитации бриллиантов (фианит, ИАГ) отличаются друг от друга по отражательной способности, поэтому тестер Presidium Duotester легко их диагностирует. С помощью теста на отражательную способность можно отличить бриллиант от муассонита. Тестер оснащён эталонной коллекцией из 7 синтетических камней (синтетическая шпинель, синтетический сапфир, ИАГ - иттрий алюминиевый гранат, синтетический циркон, ГГГ - галлий-гадолиниевый гранат, фианит, титанат стронция). Эта коллекция размещается в специальном встроенном отсеке тестера. С помощью этой коллекции можно в любой момент проверить точность работы прибора, провести калибровку. В тестер встроена выдвижная панель с таблицей, на которой указаны показания прибора при измерении отражательной способности камней-эталонов. Тестер Presidium Duotester позволяет отличать бриллианты от других распространённых имитации, в том числе от муассонита (по отражательной способности).
Кроме того, используется хорошая смачиваемость алмаза жиром: фломастер, заправленный специальными чернилами, оставляет на поверхности алмаза сплошную черту, тогда как на поверхности имитации она рассыпается на отдельные капельки.
Но с помощью данных простейших методов невозможно определить является ли камень природного происхождения или он синтетически выращен.
Для этого прибегают к более сложным методам:
- рентгеноспектральный микроанализ (микрозонд). С его помощью можно определить химический состав камней и включений, металлов и других материалов на небольшом участке поверхности (до 3 мкм). Метод применяется для диагностики камней, а также для определения содержания драгоценных металлов в ювелирных сплавах.
- абсорбционная спектроскопия. Спектры поглощения в видимой и инфракрасной областях несут важную информацию о происхождении камней, природе их окраски, наличии в них различных примесей. Метод полезен при выявлении следов облагораживания, изучении цвета, а в ряде случаев -- для определения месторождений конкретных ювелирных камней.
- люминесценция включает в себя группу методов, позволяющих вызывать свечение камней под воздействием ультрафиолетового света, рентгеновских лучей, электронов или лазерного луча. Запись и расшифровка спектров люминесценции и картин распределения центров свечения в камне дают возможность получить информацию об образовании камней (росте кристаллов, захвате ими примесей, послеростовой истории). Комплекс люминесцентных методов важен при диагностике природных и синтетических камней, а также для распознавания следов облагораживания.
- спектроскопия комбинационного рассеяния (Рамановская спектроскопия). Данный метод позволяет диагностировать ювелирные камни (отличать их от имитаций), определять состав включений в камнях (что важно при определении месторождения и диагностике природного или синтетического происхождения камней), устанавливать факты заполнения трещин в камнях и в ряде случаев определять состав заполнителя.
Рамановский пик в спектре комбинационного рассеяния является своеобразной "визитной карточкой" алмаза, критерием его чистоты и качества. Примеси, включения, внутренние напряжения в кристалле, присутствие разупорядоченных или сегрегированных фаз, например, графита приводят к размытию пика и сдвигу по длине волны, появлению дополнительых широких полос в спектре. Количественно это выражается значением FWHM-фактора*- шириной рамановского пика на его полувысоте. Наименьший FWHM- фактор отмечен для наиболее чистых природных алмазов типа На [1]. Этот фактор возрастает в ряду алмазов: "природный Па - природный 1а - синтетический кристалл - синтетический СТО-алмаз" (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Рамановский пик комбинационного рассеяния как критерий совершенства структуры алмаза 1 - природный алмаз типа Па, 2 - синтетический lb, 3 - CVD-пластина фирмы "Де Бирс", 4 - непрозрачный CVD-алмаз
- Спектроскопия ЭПР (электронный парамагнитный резонанс). Это один из самых сложных методов, позволяющий количественно оценить содержание парамагнитных примесей в камнях и определить структуру тех или иных дефектов. Метод применяется в сложных случаях диагностики происхождения (природного или синтетического) и для выявления следов облагораживания в драгоценных камнях.
Выводы: все перечисленные методы отличаются тем, что их применение не повреждает камень и не приводит к изменению его свойств. Однако некоторые методы (например, ЭПР и абсорбционная спектроскопия) требуют извлечения драгоценных камней из оправы ювелирных изделий.
2.1 Физические основы комбинационного рассеяния света
При распространении волн в материальной среде простейшая ситуация соответствует отсутствию какого-либо взаимодействия между волнами. При этом волны проникают одна сквозь другую без каких-либо изменений частоты, амплитуды и фазы соответствующих колебательных процессов.
Более сложная картина реализуется для взаимодействующих волн. В частности, для таких волн может быть осуществлен процесс амплитудной модуляции высокочастотных колебаний низкочастотными. В результате модуляции наряду с исходными волнами с высокой (w0) и низкой ( | ) частотами возникают комбинационные волны с частотами w0 - | и w0 + | . Именно это свойство волн было использовано создателями радиотелеграфа в конце XIX столетия. При этом несущей высокочастотной волной служила радиоволна, а низкочастотные волны соответствовали звуковому диапазону и представляли собой необходимую для передачи информацию.
Как известно, впервые беспроволочный телеграф на основе модуляции электромагнитных волн радиодиапазона (w0 ~ 1011 Гц) низкочастотными сигналами азбуки Морзе был осуществлен в 1895 году в опытах А. С. Попова. Аналогичные исследования проводились в то же время на Западе Ф. Брауном и Т. Маркони. В 1909 году за создание беспроволочного телеграфа они были удостоены Нобелевской премии.
Ф. Браун был профессором кафедры физики в Страсбургском университете, когда в 1899 году для продолжения своего образования, начатого в Новороссийском университете, в Страсбург прибыл Л.И. Мандельштам. Объектом исследования Л.И. Мандельштама стали акустические волны в твердых телах. Как выяснилось, такие волны существуют в материальных средах даже при отсутствии каких-либо внешних звуковых сигналов. В связи с этим Л.И. Мандельштам в 1926 году опубликовал работу, в которой рассмотрел вопрос о модуляции световых волн в твердых телах тепловыми (акустическими) волнами. Он пришел к выводу, что при распространении света в кристаллах должно происходить рассеяние, сопровождающееся изменением частоты ю0 исходного монохроматического излучения до значений w0 ± |, где | -- частота соответствующих акустических колебаний кристалла.
Опыты по исследованию рассеяния света в конденсированных средах были начаты с 1926 года в Москве Г.С. Ландсбергом и Л.И. Мандельштамом. Одним из объектов исследований был кристаллический кварц, в качестве источника возбуждающего излучения применялись интенсивные линии ртутной лампы, выделенные из спектра газового разряда с помощью абсорбционных светофильтров. В результате этих опытов было установлено, что действительно в спектре рассеянного света присутствует слабое излучение, частота которого сдвинута по отношению к частоте первичного, возбуждающего излучения. При этом оказалось, что в спектре имеется несколько симметричных относительно частоты w0 возбуждающего излучения спутников с частотами (w0 - |j (стоксов спутник) и w0 + |j (антистоксов спутник). Выяснилось также, что наблюдаемые сдвиги |j частоты w0 возбуждающего излучения на несколько порядков превышают характерные значения частот акустических волн, которые рассматривались как причина рассеяния света в теории Мандельштама. Впоследствии было установлено, что наряду с акустическими волнами вместе с волной возбуждающего излучения могут быть и многие другие типы волн, в частности волны оптических колебаний, характеризуемые встречным типом движения неэквивалентных атомов примитивной ячейки кристалла. Это и было причиной сдвига частоты возбуждающего излучения, наблюдаемого в опытах Ландсберга и Мандельштама. В дальнейшем такой тип рассеяния был назван ими комбинационным рассеянием света.
В то же время (в 1928 году) аналогичные опыты по изучению рассеяния света в жидкостях выполняли индийские физики Ч. Раман и К. Кришнан. В первых опытах индийские ученые использовали в качестве источника возбуждающего излучения солнечный луч. Применяя определенные комбинации абсорбционных светофильтров, они пришли к выводу, что в жидкостях происходит рассеяние света, сопровождаемое сдвигом частоты щ' = щ0 - | (щ0 -- частота возбуждающего излучения, щ' -- частота рассеянного света), а результаты своих экспериментов интерпретировали как проявление оптического аналога эффекта Комптона. Такое явление в дальнейшем было названо раман-эффектом. За открытие этого явления в 1930 г. Ч. Раман был удостоен Нобелевской премии.
Следует отметить, что термин "комбинационное рассеяние света" (КРС), предложенный Мандельштамом и Ландсбергом, имеет самостоятельное значение и широко используется в научной литературе.
Несомненно, открытие этого явления -- одно из наиболее ярких научных достижений ХХ столетия.
2.2 Элементарное описание комбинационных оптических процессов
Под действием внешнего электромагнитного поля в веществе индуцируются дипольные моменты, связанные с искажением электронного облака атомов. При этом можно использовать разложение в ряд по напряженности внешнего электрического поля Е:
где p -- индуцированный дипольный момент атома;
е0 -- абсолютная диэлектрическая проницаемость среды; в1, в2, в3 -- соответствующие линейная и нелинейные восприимчивости.
Восприимчивости вi = в1, в2, в3 и т.д., в свою очередь, зависят от расположения ядер. Поэтому можно использовать их разложение в ряд по нормальным координатам з колебаний ядер:
Напряженность электрического поля представим в комплексном виде
где щ0 -- частота исходного электромагнитного излучения. Колебания ядер должны происходить по гармоническому закону. Соответственно можно полагать, что
где |j -- соответствующие частоты нормальных колебаний молекул или кристаллической решетки. Соответственно для индуцированного дипольного момента имеем
В соотношении (3.2) учтены лишь низшие коэффициенты разложения по внешнему полю Е и нормальной координате л. Осциллирующий дипольный момент в соответствии с общей теорией излучения приводит к возникновению излучения, частота которого равна частоте осцилляции этого дипольного момента. Первое слагаемое соответствует рассеянию света без изменения частоты (упругое, или рэлеевское, рассеяние). Второе слагаемое обусловлено комбинационным рассеянием, происходящим за счет модуляции внешнего поля оптическими колебаниями с частотами |j. Третье слагаемое обусловлено рассеянием света, сопровождающимся удвоением частоты (щ' = 2 щ0) и называемым гиперрэлеевским рассеянием света. Четвертое слагаемое обусловлено рассеянием на частотах щ' = 2 щ0± |j. (так называемое гиперрамановское, или гиперкомбинационное, рассеяние света).
2.3 Спектроскопия комбинационного рассеивания света
Первые эксперименты по наблюдению комбинационного рассеивания света (КРС) в жидкостях и кристаллах были сопряжены с огромными экспериментальными трудностями. Это связано с чрезвычайно малой интенсивностью комбинационных спутников, возникающих при возбуждении комбинационного рассеивания света спонтанными источниками света. Обычно такими источниками в первых опытах служили дуговые ртутные лампы. В результате для получения спектров были необходимы многочасовые и даже многосуточные экспозиции. Другая трудность состояла в том, что слабый сигнал КРС находился сравнительно недалеко по шкале частот от частоты интенсивного возбуждающего излучения (щ' ? щ0). В связи с этим обычные монохроматоры оказались малоэффективными для анализа спектра комбинационного рассеивания света, особенно в области так называемых малых частот, то есть вблизи возбуждающей линии. В результате были созданы специальные раман-спектрометры, позволяющие устранить "паразитный" фон возбуждающего излучения. Совершенствование таких спектрометров проводится и сейчас.
В первые годы после открытия явления комбинационного рассеивания света основное внимание исследователей было обращено к жидкостям и гораздо меньше к кристаллам. Это связано с тем, что жидкости могут быть хорошо очищены и, таким образом, характеризуются меньшим фоном "паразитного" рассеяния. Многие жидкости прозрачны в видимой области спектра, и их спектры комбинационного рассеивания света оказываются достаточно интенсивными. На основе проведенных исследований были получены характеристики спектров КРС многих соединений. Были подготовлены монографии и справочники, в которых систематизировались данные о характеристических частотах, интенсивностях и других параметрах спектров, необходимых для проведения анализа. Одной из важных задач, решаемых в тот период, стала проблема анализа нефтепродуктов. Метод комбинационного рассеивания света был с успехом использован при решении этой задачи. Однако широкое внедрение нового метода в практику ограничивалось методическими трудностями.
Можно без преувеличения сказать, что в 60-е годы после появления лазерных источников света произошло второе рождение обсуждаемого явления. Преимущества новых источников света для получения и исследования спектров комбинационного рассеивания света были установлены в серии работ, выполненных в конце 60-х годов. Применение лазеров позволило снять многие трудности, существовавшие при исследовании КРС. В частности, за счет большой спектральной яркости лазеров на несколько порядков были уменьшены времена экспозиции, необходимые для регистрации спектров, упрощены геометрические схемы экспериментов, улучшены условия для проведения температурных и поляризационных экспериментов, уменьшен фон мешающих линий. Доступными для исследования оказались новые типы объектов, в частности разнообразные кристаллы: диэлектрики, полупроводники и даже металлы. Открылись возможности для анализа дефектности материалов, влияния различных возмущающих факторов (электрического и магнитного полей, давления, г-облучения), для исследования не однородностей в кристаллах, изучения сплавов, тонких пленок, поверхности.
Первые лазерные источники, использованные для возбуждения спектров КРС, характеризовались невысокой средней мощностью. В частности, широко применяемый в спектроскопии комбинационного рассеивания света гелий-неоновый лазер непрерывного действия (л = 632,8 нм) имел мощность 10--50 мВт. Аргоновый лазер (л = 488,0 и 514,5 нм) также работал в непрерывном режиме, но его мощность для типичных лабораторных приборов составляет ~ 1 Вт. Новые возможности появились после применения в спектроскопии комбинационного рассеивания света лазера на парах меди (л = 510,6 и 578,2 нм). Лазер такого типа работает в импульсно-периодичес- ком режиме и характеризуется средней мощностью генерации 1--10 Вт. При этом частота следования импульсов генерации составляет 104 Гц, длительность каждого лазерного импульса 20 нс, пиковая мощность в импульсе 104--105 Вт.
Применение лазера на парах меди оказалось весьма эффективным для анализа более сложных комбинационных оптических процессов, чем исходный раман-эффект. В частности, оказалось возможным весьма эффективно исследовать трехфотонные процессы КРС, включая гиперрэлеевское и гиперкомбинационное рассеяние света.
2.4 Вид спектров комбинационного рассеяния света в алмазе
Обычно спектр комбинационного рассеивания света представляют в виде зависимости интенсивности рассеяния от сдвига частоты комбинационного спутника, задаваемого в волновых числах v = 1/л и измеряемого в обратных сантиметрах. При этом имеет место соотношение v = | /(2?с) (см. физические основы комбинационного рассеяния света).
Наиболее простой вид спектра комбинационного рассеивания света наблюдается в кристаллах со структурой типа алмаза (рис. 2.1). Для такой структуры в примитивной ячейке присутствуют два тождественных по химическим свойствам, но неэквивалентных друг другу атома. При этом в кристалле присутствуют три акустических и три оптических типа волн.
Рис. 2.1. Спектры комбинационного рассеяния света в алмазе, при возбуждении лазером на парах меди (л=510,6 нм). На врезке приводится вид ячейки структуры типа алмаза
Рассеяние на акустических волнах происходит с небольшим сдвигом частоты (v ? 1 см-1) и соответствует упомянутому выше эффекту Мандельштама--Бриллюэна. Рассеяние с участием оптической волны соответствует комбинационному рассеянию. Анализ колебаний кристаллической решетки алмаза показывает, что для больших длин волн частота колебаний для всех трех оптических волн должна быть одинакова, в спектре КРС алмаза следует ожидать появления лишь одного комбинационного спутника.
Экспериментальные исследования спектров КРС в алмазах проводились многими учеными, начиная с Рамана, использовавшего ртутную лампу для возбуждения спектров и многочасовые экспозиции для фотографирования этих спектров с помощью спектрографа. Применение аргонового лазера [2] позволило получить гораздо более качественные спектры. В последнее время на основе современной методики были получены спектры КРС в естественных и искусственных алмазах, алмазных пленках и ультрадисперсных алмазных порошках с размером частиц до 50--100 А. Рис. 2.1 иллюстрирует вид спектра КРС монокристаллов алмаза, полученного при возбуждении лазером на парах меди.
Выводы: в последние годы интенсивно изучаются особенности самого явления КРС. Исследователи подошли по существу к ряду новых явлений. К ним относятся: 1) резонансное комбинационного рассеивания света, состоящее в резком возрастании эффективного сечения рассеяния при приближении частоты возбуждающего излучения к полосе электронного поглощения вещества; 2) вынужденное КРС, состоящее в резком уменьшении ширины и увеличении интенсивности одной или нескольких линий комбинационного рассеивания света до значений, сравнимых с интенсивностью возбуждающего излучения
3) гиперкомбинационное рассеяние света, состоящее в возникновении комбинационных спутников в области частоты второй оптической гармоники возбуждающего излучения; 4) гигантское комбинационного рассеивания света, состоящее в увеличении до 105--106 раз эффективного сечения рассеяния для ряда молекул, адсорбированных на шероховатой поверхности некоторых металлов; 5) когерентное антистоксово рассеяние, состоящее в резком увеличении интенсивности и угловой направленности сигнала рассеяния при возбуждении вещества одновременно двумя лазерными источниками света. Все эти явления открывают новые возможности для решения научных и практических задач и, несомненно, будут использованы в будущем.
В качестве одного из весьма перспективных направлений отметим так называемую микроскопию комбинационного рассеяния света, развиваемую в последние годы. Здесь работа идет по пути создания новых типов микроскопов, которые позволяют получать изображение микрообъектов "в свете" различных линий КРС. При этом можно различать такие детали микрообъектов, которые или вообще неразличимы, или плохо различимы в обычном микроскопе.
Таким образом, исследования комбинационного рассеяния света, начатые в XX столетии, прошли длинный путь от уникальных опытов в академических лабораториях до широкомасштабных экспериментов, имеющих большое практическое значение.
3. КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В ПРИРОДНЫХ АЛМАЗАХ
3.1 Особенности комбинационного рассеивания света в природных алмазах
Алмаз, являющийся основной высокобарической фазой углерода, кристаллизуется в кубической сингонии (Oh7, Z=2) с тетраэдрическим расположением связей С--С вокруг каждого атома углерода [3]. Гомоядерность его кристаллической решетки в сочетании с ее высокой симметрией определяют простоту колебательного спектра алмаза. В ИК-спектре минерала, как известно, нет ни одной активной колебательной частоты первого порядка. В спектре комбинационного рассеяния (КР) имеется всего одно трижды вырожденное фундаментальное колебание v(Fs2g), параметры которого для структурно совершенной алмазной решетки детально исследованы в широком интервале температур (при 300К v= 1332,5+0
Экспериментальное исследование спектров комбинационного рассеяния света исследуемых алмазов дипломная работа. Геология, гидрология и геодезия.
Курсовая работа по теме Вдосконалення стратегії міжнародного бізнесу компанії Toyota Motor Corporation
Курсовая работа по теме Суть і значення касаційного провадження
Сочинение Петербург Город Контрастов
Дипломная работа по теме Усовершенствование технологии прокатки с целью повышения качества готовой продукции на стане 1300
Курсовая работа по теме Велосипедный туризм
Реферат На Тему Водные Ресурсы: Использование И Загрязнение
100 Тем Для Итогового Сочинения
Курсовая работа по теме Разработка базы данных 'Учет персональных компьютеров и комплектующих'
Реферат: Биосфера и её структура. Скачать бесплатно и без регистрации
Сочинение По Произведению Выстрел Пушкина
В Чем Смысл Жизни Современного Человека Сочинение
Дипломная работа по теме Механизм влияния качества продукции на эффективность производства
Доклад по теме Влияние фильмов в формате 3D
Реферат: Сущность и содержание технологии моделирования социальных процессов
Мини Сочинение На Тему Зачем Нужны Словари
Дипломная работа по теме Гендерные особенности восприятия рекламы
Курсовая Работа На Тему Характеристика Ассортимента И Потребительских Свойств Мебельных Товаров
Правосубъектность Юридического Лица Магистерская Диссертация
Реферат: Ломоносовский фарфоровый завод. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая работа: Турпредприятия и корпоративная культура. Скачать бесплатно и без регистрации
Інсулін - Биология и естествознание реферат
Марш и встречный бой мотострелкового батальона - Военное дело и гражданская оборона презентация
Бухгалтерский финансовый учет - Бухгалтерский учет и аудит курсовая работа