СВЕТОИНДУЦИРОВАННЫЙ ДРЕЙФ

СВЕТОИНДУЦИРОВАННЫЙ ДРЕЙФ

газов и газоподобных сред - относит. <движение (дрейф) компонентов газовой смеси, возникающее при резонансномвзаимодействии излучения с одним из компонентов смеси. С. д. обусловленселективным по скоростям возбуждением резонансно поглощающих излучениечастиц и различием транспортных характеристик возбуждённых и невозбуждённыхчастиц при их столкновениях с др. компонентами смеси [1].

Впервые С. д. атомов наблюдался в 1979 [2], молекул - в 1981 [3]. С. <д. возможен и в средах, подобных газовым, напр. для электронов проводимостив твёрдых телах [4; 5] (экспериментально зарегистрирован в 1983 [6]).

Физ. основу С. д. легко пояснить на примере простейшей модели двухуровневыхчастиц, резонансно поглощающих излучение бегущей монохроматич. волны инаходящихся в среде буферного (не взаимодействующего с излучением) газа. <С учётом доплеровского уширения с излучением взаимодействуют только течастицы поглощающего газового компонента, скорости к-рых v находятсяв окрестности «резонансного» значения, определяемого соотношением:

где w - частота излучения, w₁₀ - частота резонансного переходамежду основным (0) и возбуждённым (1) состояниями, k - волновой векторизлучения.

Под действием излучения происходит селективное по скорости изменениезаселённостей основного и возбуждённого состоянийпоглощающих частиц. На рис. показано характерное распределение заселённостей и по проекции v_x скорости на волновой вектор (ось х )без учёта столкновений ив предположении, что при поглощении фотона скорость частицы не меняется(последнее означает пренебрежение эффектом светового давления, что заведомооправдано в специфич. для С. д. условиях). В первоначально равновесном(максвелловском) распределении излучение создаёт «провал» в окрестности резонансной скорости ,образуя неравновесное распределение возбуждённых частиц при тех же значениях v_x. Неравновеснымраспределениям и соответствуютотличные от нуля встречные парциальные потоки частиц:

Распределение заселённостей по скоростям при селективном оптическомвозбуждении; у ₀, j₁ - встречные парциальные потоки.

Т. о., излучение способно индуцировать встречные парциальные потокивозбуждённых и невозбуждённых частиц. В отсутствие столкновений с буфернымгазом суммарное распределение по скоростям остаётся максвелловским. При этом потоки j₁ и j₀ полностьюкомпенсируют друг друга, так что газ поглощающих частиц как целое покоится.

Ситуация радикально меняется, как только начинают проявляться столкновенияпоглощающих частиц с частицами буферного газа. Порождённые излучением встречныепотоки j₀ и j₁ испытывают торможениев буферном газе. Силы торможения (внутр. трения) F_1,0 направленыпротив потоков и пропорциональны им:

где т - масса частицы, v_l,0 - газокинетич. (транспортные)частоты столкновений. В общем случае транспортные характеристики для разныхвнутр. состояний частицы (основного и возбуждённого) различаются, поэтому . Вследствие этого различаются и силы торможения потоков j₀ и j₁, изначально одинаковых по величине. Поэтому становитсяотличной от нуля результирующая сила F = F₀ + F₁ действующаясо стороны буферного газа на газ поглощающих частиц как целое. Эта силаи приводит к дрейфу поглощающего компонента относительно буферного, в чёми состоит эффект С. д. Результирующую силу в соответствии с (3) можно представитьв виде:

где j - результирующий поток поглощающих частиц. Поток j формируетсяв течение времени порядка времени свободного пробега и приобретает значение, <определяемое условием F =0. Представив j в виде j = uN, гдеи - скорость С. д., N - концентрация поглощающих частиц, из (4)находим

В условиях большого доплеровского уширения и при редких столкновениях (N₁- концентрация возбуждённых частиц), при этом

Параметр w₁ характеризует долю возбуждённых частиц. <При снятии сделанных ограничений для скорости дрейфа справедливо выражение[7,8]:

Здесь v _Т - наиб. вероятная тепловая скорость, Г ₁- константа релаксации возбуждённого уровня,- безразмерный фактор, отражающий специфич. (антисимметричную) зависимостьскорости дрейфа от отстройки частоты .В оптимальных условиях достигает значения - 1.

Дрейфовое движение коллинеарно волновому вектору и может осуществлятьсякак в направлении распространения излучения, так и в обратном направлениив зависимости от знака и знака разности (v₀ - v₁) транспортных частот столкновений. <При С. <д. отсутствует. Если относит. изменение частоты столкновений при возбуждениидостаточно велико ,что не является редкостью, по крайней мере, для электронных переходов атомов, <то, подбирая эксперим. условия, можно достичь величины скорости дрейфа, <сравнимой с тепловой скоростью.

Важно отметить принципиальную роль буферного газа. Эффект существуеттолько в его среде и проявляется в виде относит. движения газовых компонентовпри сохранении импульса газовой системы в целом. В отсутствие буферногогаза, согласно закону сохранения импульса, поглощающий газ обязан оставатьсяв покое как целое.

Яркой особенностью С. д., отличающей его от др. эффектов воздействияизлучения на движение частиц газа, является то, что для возникновения направленногодвижения газовых компонентов не обязателен прямой или косвенный обмен импульсоми энергией между излучением и внеш. степенями свободы частиц газа. Особенноотчётливо это видно на примере сугубо радиационной релаксации возбуждённогосостояния поглощающих частиц (что характерно для электронных переходоватомов): поглощённый частицей фотон в результате спонтанного испусканияснова возвращается в поле излучения практически без изменения энергии. <Т. о., энергия поступат. движения газовых компонентов черпается из тепловойэнергии, а действие излучения, выступающего в роли своеобразного «демона»Максвелла, состоит в преобразовании хаотич. (теплового) движения частицгаза в упорядоченное (направленное) движение компонентов смеси. Неизбежноепри этом уменьшение энтропии газовой подсистемы компенсируется увеличениемэнтропии второй подсистемы - излучения: из упорядоченного (направленного)оно преобразуется в изотропно рассеянное излучение в результате спонтанногоиспускания после акта поглощения.

Благодаря уникальным особенностям С. д. применяется в широких областяхфизики (неравновесной газовой динамике, физике атомных и молекулярных столкновений, <физике твёрдого тела, ядерной физике и др.) и астрофизики (в частности, <для объяснения феномена т. н. пекулярных звёзд). Действие С. д. как селективногооптич. насоса оказывается полезным для ряда прикладных задач (разделениеизотопов и ядерных изомеров, в особенности короткоживущих, разделение ядерныхспиновых модификаций тяжёлых молекул, регистрация микропримесей и т. д.).

Лит.:1) Гельмуханов Ф. X., Шалагин А. М., Светоиндуцированнаядиффузия газов, «Письма в ЖЭТФ», 1979, т. 29, с. 773; 2) А н ц ы г и нВ. Д. и др., Светоиндуцированная диффузия паров натрия, там же, 1979, т.30, с. 262; 3) Панфилов В. Н. и др., Светоиндуцированный дрейф и разделениекомпонентов смеси ¹³CH₃P + ¹² СН ₃ Рв поле непрерывного ИК-излучения, там же, 1981, т. 33, с. 52; 4) С к ок Э. М., Шалагин А. М., Светоиндуцированный дрейф электронов в полупроводниках, <там же, 1980, т. 32, с. 201; 5) Д ы х н е А. М. и др., Резонансное возбуждениефототока в полупроводниках, «Доклады АН СССР», 1980, т. 254, с. 599; 6)Кравченко А. Ф. и др., Фотоэдс, индуцированная импульсом фотона при оптическихпереходах между уровнями Ландау, «Письма в ЖЭТФ», 1983, т. 38, с. 328;7) М и р о н е н к о В. Р., Шалагин А. М., Светоиндуцированный дрейф многоуровневыхсистем, «Изв. АН СССР. Сер. физ.», 1981, т. 45, с. 995; 8) R а u t i an S. G., S h a 1 a g i n A. M., Kinetic problems of non-linear spectroscopy,Amst.- Oxf., 1991. А. М. Шалагин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.