Interakce elektromagnetického záření s látkou
Obsah
Úvod
- odezvu krystalu na elmag.pole popisuje dielektrická fce (permitivita) $ \epsilon (\omega, vec{k}) $- závisí na elektronové struktuře krystalu -> pásová struktura
Elektromagnetické vlny
- elmag.vlny poprové postulovány Maxwellem(a potvrzeny Hertzem) - odvodil vlnovou formu elektrických a magnetických vln
- dle Maxwellek prosotorově měnící el.pole generuje časově proměnné pole magnetické a naopak - tyto oscilující pole dohromady vytváří elektromagnetickou vlnu
- elektromagnetická vlna dopadající na látku (atomovou strukturu) -> oscilace atomů -> emitují své vlastní vlny -> difrakce a odraz (viz.dynamická a kinematická teorie difrakce)
- elektromagnetické spektrum: viditelné je $ 4- 7,9.10^{14} Hz \sim 400-790 nm \sim 1,6 - 3,3 eV $
Maxwellovy rovnice
První Maxwellova rovnice (zákon celkového proudu, zobecněný Ampérův zákon
- $ \nabla \times \mathbf{H}=\mathbf{j}+\frac{\partial \mathbf{D}}{\partial t}. $
Druhá Maxwellova rovnice (Zákon elektromagnetické indukce, Faradayův indukční zákon)
- $ \nabla \times \mathbf{E}=- \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}. $
Třetí Maxwellova rovnice (Gaussův zákon elektrostatiky)
- $ \nabla \cdot \mathbf{D}= \rho. $
Čtvrtá Maxwellova rovnice (Zákon spojitosti indukčního toku)
- $ \nabla \cdot \mathbf{B}=0. $
Materiálové vztahy pro materiály s lineární závislostí
- $ \mathbf{P} = \chi_e \varepsilon_0 \mathbf{E} $
- $ \mathbf{M} = \chi_m \mathbf{H} $
a že pole D a B jsou s E a H provázány vztahy:
- $ \mathbf{D} \ \ = \ \ \varepsilon_0 \mathbf{E} + \mathbf{P} \ \ = \ \ (1 + \chi_e) \varepsilon_0 \mathbf{E} \ \ = \ \ \varepsilon \mathbf{E} $
- $ \mathbf{B} \ \ = \ \ \mu_0 ( \mathbf{H} + \mathbf{M} ) \ \ = \ \ (1 + \chi_m) \mu_0 \mathbf{H} \ \ = \ \ \mu \mathbf{H}, $
Odvození vlnové rovnice
Z druhé Maxwellovy rovnice dostáváme: $ \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E})=\nabla \times \left( - \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right) $
Po vyjádření pravé a levé strany získáme:
$ \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E})=\nabla \left( \nabla . \mathbf{E} \right) - \nabla^2 \mathbf{E}= - \Delta \mathbf{E} $
$ \nabla \times \left( - \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right)= - \frac{\partial}{\partial t} \left(\nabla \times \mathbf{B} \right) = - \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2} $
Nyní již můžeme dát oba výrazy dohromady a získáme rovnici:
$ \Delta \mathbf{E} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2} $
$ \Delta \mathbf{B} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{B}}{\partial t^2} $
což je ekvivalentní vlnové rovnici: $ \Delta \mathbf{A} = \frac {1}{c_0^2} \frac{\partial^2 \mathbf{A}}{\partial t^2} $ kde $ c_0 = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \epsilon_0}} $
Popis elektromagnetické vlny
Vezmeme-li v úvahu další 2 Maxwellovy rovnice, tak zjistíme pro vlnu elektromagnetického pole (která je ve tvaru rovinné vlny $ \mathbf{E}=E_0 e^{i(\vec{k}\vec{r}-\omega t)} $), že se pohybuje stejně jako vlna magnetická rychlostí světla a obě se pohybují kolmo na sebe $ \mathbf{B}= \frac{1}{c_0} \mathbf{k} \times \mathbf{E} $ a jejich vln.vektory mají proporcionální amplitudy: $ E_0=c_0 B_0 $
- vlna se pohybuje ve směru $ \mathbf{E} \times \mathbf{B} $ (Poyntingův vektor)
Interakce
Fotoefekt
- fotoelektron detekován vždy, když je látka ozářena světlem o frekvenci $ \nu $ větší než jistá hraniční frekvence
- závisí jen na frekvenci ($ \omega $) a ne na intenzitě -> kvantování fotonů
- záření excituje e- a ten při návratu do základního stavu vyzáří záření o dané frekvenci = rtg.fluorescence
- molekuly lze díky fotoefektu zkoumat metodami EXAFS a XANES (více v kinematické teorii difrakce), další metody využívající fotoefekt: XPS (více ve Spektroskopických metodách)
$ E_{e^-}=h\nu - BE $ (BE=binding energy of shell X)
Comptonův rozptyl
- =neelastický rozptyl - v kvantové t. vždy neelasticky - rozptyl e- nižší E (větší $ \lambda $)
$ \lambda^{(2)}-\lambda^{(1)}=\frac{h}{mc}(1-cos \Theta) $
$ \frac {h}{mc} $ se nazývá Comptonova vlnová délka a je cca 0,00234nm
Produkce párů
- vysokoenergetický foton interaguje s jádrem za vzniku páru e- a e+
- pro ZZE a ZZH musí být foton něčím absorbován (jádrem či jiným fotonem), nelze ve volném prostoru
$ h \nu = 2mc^2 + T_+ + T_- $
Fotonukleární reakce
- velmi energetické $ \gamma $ dopadne na jádro -> jádro do excitovaného stavu -> rozpad s vypuštěním částice (opak jaderné fúze, supernovy)
$ D+\gamma=H+n^0 $
-dále lze mluvit i o kinematické teorii difrakce
