Назад
Îãëàâëåíèå
Ïðåäèñëîâèå 7
Ââåäåíèå 8
Âçàèìîäåéñòâèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ òâåðäûìè òåëàìè
11
Ôåíîìåíîëîãè÷åñêîå îïèñàíèå âçàèìîäåéñòâèÿ ñâåòà ñ âåùåñòâîì 11
Îïòè÷åñêèå ôóíêöèè òâåðäûõ òåë 11
Îòðàæåíèå ñâåòà îò òâåðäûõ òåë 21
Ñîîòíîøåíèÿ Êðàìåðñà—Êðîíèãà è ïðàâèëà ñóìì 27
Õàðàêòåðèñòè÷åñêèå ïîòåðè ýíåðãèè ýëåêòðîíîâ 34
Ìèêðîñêîïè÷åñêîå îïèñàíèå âçàèìîäåéñòâèÿ ñâåòà ñ âåùåñòâîì 38
Äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü 38
Ïîëÿðèçàöèîííîå ïðèáëèæåíèå äëÿ âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ
ïîëåé ñ òâåðäûì òåëîì 44
Ôëóêòóàöèîííî-äèññèïàöèîííàÿ òåîðåìà 51
Êèíåòè÷åñêîå óðàâíåíèå â ïîëÿðèçàöèîííîì ïðèáëèæåíèè 54
Ñîñòîÿíèÿ â íåäåôîðìèðóåìîé ðåøåòêå 59
Ýëåêòðîííûå ñîñòîÿíèÿ â íåäåôîðìèðóåìîé ðåøåòêå 59
Èåðàðõèÿ ïðèáëèæåíèé â òåîðèè òâåðäîãî òåëà 59
Îäíîýëåêòðîííîå ïðèáëèæåíèå 60
Ïðèáëèæåíèå ïî÷òè ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ 66
Ïðèáëèæåíèå ñèëüíî ñâÿçàííûõ ýëåêòðîíîâ 68
Ïëîòíîñòü çîííûõ ñîñòîÿíèé â òâåðäîì òåëå 73
Çàïîëíåíèå îäíîýëåêòðîííûõ ñîñòîÿíèé â òâåðäîì òåëå 75
Ïåðåõîäû ïîä äåéñòâèåì ñâåòà â èäåàëüíîì êðèñòàëëå 77
Ìåæçîííûå ïåðåõîäû 77
Ïðîñòðàíñòâåííàÿ äèñïåðñèÿ ìåæçîííîé äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîíèöàåìîñòè
84
Ýôôåêò Ôðàíöà-Êåëäûøà 85
Ïîãëîùåíèå ôîòîíîâ áîëüøîé ýíåðãèè 86
EXAFS 89
Ýêñèòîííûå ýôôåêòû â òâåðäûõ òåëàõ 93
Êóëîíîâñêîå âçàèìîäåéñòâèå ýëåêòðîíà è äûðêè 93
Ýêñèòîí Ôðåíêåëÿ 97
Ýêñèòîí Âàíüå-Ìîòòà 101
Ýêñèòîíû â ðåàëüíûõ êðèñòàëëàõ 109
Êîíôèãóðàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå 114
Äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü ñèñòåìû âçàèìîäåéñòâóþùèõ ÷àñòèö 114
Ýôôåêò Îæå 116
Ýôôåêò Ôàíî 120
Ïîëÿðèòîíû 124
Ýëåêòðîííûå ñîñòîÿíèÿ äåôåêòîâ â íåäåôîðìèðóåìîé ðåøåòêå 129
Êëàññèôèêàöèÿ äåôåêòîâ â òâåðäûõ òåëàõ 129
Äåôåêòû áîëüøîãî ðàäèóñà 130
Ãëóáîêèå äåôåêòû 132
Ïëîòíîñòü ñîñòîÿíèé â êðèñòàëëå ñ äåôåêòàìè 135
Ôîòîèîíèçàöèÿ äåôåêòîâ 139
Íåóïîðÿäî÷åííûå ñèñòåìû 144
Ýëåêòðîííûå ñîñòîÿíèÿ â äåôîðìèðóåìîé ðåøåòêå 149
Ôîíîíû â êðèñòàëëàõ 149
Ôîíîíû â èäåàëüíîì êðèñòàëëå 149
Ôîíîíû â êðèñòàëëàõ ñ äåôåêòàìè 155
Ïåðåõîäû ìåæäó ñîñòîÿíèÿìè äåôåêòîâ ïðè ó÷åòå ôîíîíîâ 158
Ôóíêöèÿ ôîðìû ëèíèè ïîãëîùåíèÿ ïðè ó÷åòå ôîíîíîâ 158
Ñëàáàÿ ýëåêòðîí-ôîíîííàÿ ñâÿçü 162
Ñèëüíàÿ ýëåêòðîí-ôîíîííàÿ ñâÿçü 165
Áåçûçëó÷àòåëüíûå ïåðåõîäû 168
Ïîëÿðîíû 171
Ïîëÿðîíû áîëüøîãî ðàäèóñà. Äåôîðìàöèîííîå ýëåêòðîí-ôîíîííîå
âçàèìîäåéñòâèå 171
Ïîëÿðîíû áîëüøîãî ðàäèóñà. Ïîëÿðèçàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå 175
Êîíòèíóàëüíîå ïðèáëèæåíèå 177
Àâòîëîêàëèçîâàííûå äûðêè è ýêñèòîíû â ùåëî÷íî-ãàëîèäíûõ
êðèñòàëëàõ. Îáðàçîâàíèå äåôåêòîâ 183
Âçàèìîäåéñòâèå ïîëÿðîíîâ ñî ñâåòîì 186
Íåïðÿìûå ìåæçîííûå ïåðåõîäû 186
Ôóíêöèÿ ôîðìû ëèíèè äëÿ ïîãëîùåíèÿ ñâåòà ýêñèòîíîì 189
Ïðàâèëî Óðáàõà 192
Âòîðè÷íûå ïðîöåññû 193
Âòîðè÷íûå ïðîöåññû â äèýëåêòðè÷åñêèõ êðèñòàëëàõ 193
Îáùàÿ êàðòèíà 193
Îáùèå îñîáåííîñòè èññëåäîâàíèÿ âòîðè÷íûõ ïðîöåññîâ 198
Ôåíîìåíîëîãè÷åñêèå ôàêòîðû, âëèÿþùèå íà ôîðìèðîâàíèå êâàíòîâîãî
âûõîäà âòîðè÷íûõ ïðîöåññîâ 202
Ñïåêòð âîçáóæäåíèé â äèýëåêòðèêàõ 205
Ìíîãî÷àñòè÷íûå âîçáóæäåíèÿ 205
Ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ 211
Ìèãðàöèÿ çàðÿæåííûõ âîçáóæäåíèé 214
Ðàññåÿíèå ýëåêòðîíîâ è äûðîê íà ôîíîíàõ 214
Îõëàæäåíèå ãîðÿ÷èõ âîçáóæäåíèé çà ñ÷åò èñïóñêàíèÿ îïòè÷åñêèõ
ôîíîíîâ 219
Êèíåòè÷åñêîå óðàâíåíèå â ïðèáëèæåíèè äðåéôà ïî ýíåðãèè 221
Ïðîñòðàíñòâåííàÿ äèôôóçèÿ çîííûõ âîçáóæäåíèé 228
Ïðîñòðàíñòâåííàÿ äèôôóçèÿ ëîêàëèçîâàííûõ âîçáóæäåíèé 230
Çàõâàò ýëåêòðîíîâ 234
Çàõâàò íà çàðÿæåííûå äåôåêòû ïóòåì èñïóñêàíèÿ àêóñòè÷åñêèõ ôîíîíîâ
234
Çàõâàò ñ ó÷åòîì îïòè÷åñêèõ ôîíîíîâ 239
4 Îãëàâëåíèå
Ìèãðàöèÿ íåéòðàëüíûõ ýëåêòðîííûõ âîçáóæäåíèé 246
Ýëåìåíòàðíûé àêò äèïîëü-äèïîëüíîãî ïåðåíîñà 246
Êèíåòè÷åñêèå óðàâíåíèÿ äëÿ ñèñòåìû äîíîðîâ è àêöåïòîðîâ 254
Êèíåòèêà äèïîëü-äèïîëüíîãî ïåðåíîñà 261
Ðåàáñîðáöèÿ ëþìèíåñöåíöèè 263
Ìîäåëü îäíîðîäíîãî âîçáóæäåíèÿ êðèñòàëëà 268
Âîçáóæäåíèå äåôåêòîâ â ïðè íàëè÷èè ëîâóøåê 268
Êèíåòèêà ïåðâîãî ïîðÿäêà 271
Êèíåòèêà âòîðîãî ïîðÿäêà 273
Èíôðàêðàñíàÿ ñòèìóëÿöèÿ 275
Ìåæçîííîå âîçáóæäåíèå 276
Òåðìîñòèìóëèðîâàííàÿ ëþìèíåñöåíöèÿ 280
Ïðèïîâåðõíîñòíîå òóøåíèå ëþìèíåñöåíöèè 286
Äèôôóçèîííûé ìåõàíèçì ïîâåðõíîñòíîãî òóøåíèÿ 286
Òóøåíèå ëþìèíåñöåíöèè èç-çà äèôôóçèè ê ïîâåðõíîñòè 291
Òóøåíèå ëþìèíåñöåíöèè èç-çà ðàäèàöèîííîãî ïåðåíîñà íà ïîâåðõíîñòü
292
Íåîäíîðîäíîå ðàñïðåäåëåíèå ïðèìåñåé 294
Ðàçäåëüíàÿ äèôôóçèÿ ýëåêòðîíîâ è äûðîê 295
Çàâèñèìîñòü êâàíòîâîãî âûõîäà îò êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ â
íåëèíåéíîì ñëó÷àå áåç äèôôóçèè 297
Ðåêîìáèíàöèÿ ñêîððåëèðîâàííûõ âîçáóæäåíèé 299
Ïðîñòðàíñòâåííîå ðàçäåëåíèå ãîðÿ÷èõ ýëåêòðîíîâ è äûðîê 299
Êèíåòè÷åñêîå óðàâíåíèå íà ñòàäèè ðåêîìáèíàöèè 301
Ýêñèòîííûé è ðåêîìáèíàöèîííûé êàíàëû ëþìèíåñöåíöèè 304
Ðåêîìáèíàöèÿ ñêîððåëèðîâàííûõ ÷àñòèö â ïðèñóòñòâèè ëîâóøåê 307
Ðàçìíîæåíèå ýëåêòðîííûõ âîçáóæäåíèé 309
Ñëó÷àé ïàðàáîëè÷åñêîãî çàêîíà äèñïåðñèè ýíåðãèè ýëåêòðîíîâ è äûðîê
309
Îáùàÿ êàðòèíà ðàçìíîæåíèÿ ýëåêòðîííûõ âîçáóæäåíèé 312
Êèíåòè÷åñêîå óðàâíåíèå äëÿ ñëó÷àÿ ñèëüíî íåóïðóãîãî ðàññåÿíèÿ
âîçáóæäåíèé 316
Ðàçìíîæåíèå ýëåêòðîííûõ âîçáóæäåíèé â êðèñòàëëàõ ñ óçêîé âàëåíòíîé
çîíîé 322
Ðàçìíîæåíèå ýëåêòðîííûõ âîçáóæäåíèé ñ ó÷åòîì äèñïåðñèè ýíåðãèè
äûðêè 331
Óäàðíàÿ èîíèçàöèÿ è âîçáóæäåíèå äåôåêòîâ 332
Êðîññëþìèíåñöåíöèÿ 335
Îáùèå ñâîéñòâà îñòîâíî-âàëåíòíûõ ïåðåõîäîâ 335
Êèíåòè÷åñêîå óðàâíåíèå äëÿ îñòîâíûõ äûðîê 338
Àïïðîêñèìàöèÿ êèíåòè÷åñêîãî óðàâíåíèÿ âáëèçè ïîðîãà Îæå-ïðîöåññîâ
343
Òåìïåðåàòóðíàÿ çàâèñèìîñòü êðîññëþìèíåñöåíöèè 344
Òåìïåðàòóðíîå óñêîðåíèå êðîññëþìèíåñöåíöèè 346
Ðîëü ïðèìåñåé â ýôôåêòå êðîññëþìèíåñöåíöèè 348
Íåðàâíîâåñíîå ïîãëîùåíèå è ãîðÿ÷àÿ ëþìèíåñöåíöèÿ 353
Ôîòîýìèññèÿ ýëåêòðîíîâ èç òâåðäûõ òåë 358
Òðåõñòóïåí÷àòàÿ ìîäåëü ôîòîýìèññèè 358
Ñðåäíÿÿ äëèíà ñâîáîäíîãî ïðîáåãà âûñîêîýíåðãåòè÷íûõ ýëåêòðîíîâ 363
. 5
Âîçáóæäåíèå âòîðè÷íûõ ïðîöåññîâ èîíèçèðóþùèì èçëó÷åíèåì 369
Âçàèìîäåéñòâèå òâåðäûõ òåë ñ èîíèçèðóþùèì èçëó÷åíèåì 369
Ðàçìåðû âîçáóæäåííîé îáëàñòè 371
Ñèñòåìà óðàâíåíèé äëÿ âîçáóæäåííîé îáëàñòè 375
Êèíåòèêà ðåêîìáèíàöèè ïåðâîíà÷àëüíî ñêîððåëèðîâàííûõ âîçáóæäåíèé
377
Ðàññåÿíèå ñâåòà òâåðäûìè òåëàìè 386
Òåõíèêà îïòè÷åñêèõ èçìåðåíèé â âàêóóìíîé óëüòðàôèîëåòîâîé
îáëàñòè ñïåêòðà 390
Òåõíèêà èçìåðåíèÿ ñ ëàáîðàòîðíûìè èñòî÷íèêàìè èçëó÷åíèÿ 390
Îáùèå îñîáåííîñòè èññëåäîâàíèÿ âòîðè÷íûõ ïðîöåññîâ 390
Ëàáîðàòîðíûå óñòàíîâêè 394
Ñèíõðîòðîíû è íàêîïèòåëè êàê èñòî÷íèêè èçëó÷åíèÿ 397
Ñâîéñòâà ñèíõðîòðîííîãî èçëó÷åíèÿ, âàæíûå äëÿ ïðèìåíåíèé 397
Ïðåèìóùåñòâà ïðèìåíåíèÿ èñòî÷íèêîâ ñèíõðîòðîííîãî èçëó÷åíèÿ äëÿ
ñïåêòðîñêîïèè 401
Ñïåêòðîñêîïèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì ñèíõðîòðîííîãî èçëó÷åíèÿ 403
Êàíàëû ñèíõðîòðîííîãî èçëó÷åíèÿ 403
6 Ãëàâà 1. Âçàèìîäåéñòâèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ òâåðäûì òåëîì
Ïðåäèñëîâèå
 êíèãå îòðàæåíû êàê òåîðåòè÷åñêèå, òàê è ýêñïåðèìåíòàëüíûå
àñïåêòû ñïåêòðîñêîïèè òâåðäîãî òåëà. Ðàáîòà íàïèñàíà íà îñíîâå
êóðñà ëåêöèé, ÷èòàåìûõ àâòîðàìè ñòóäåíòàì ñòàðøèõ êóðñîâ êàôåäð
îïòèêè è òåîðåòè÷åñêîé ôèçèêè Ìîñêîâñêîãî óíèâåðñèòåòà, è, õîòÿ
ïî îòäåëüíûì âîïðîñàì ñïåêòðîñêîïèè òâåðäîãî òåëà åñòü ìíîãî õî-
ðîøèõ êíèã, ìû ñäåëàëè ïîïûòêó èçëîæèòü âîïðîñû îïòè÷åñêîé
ñïåêòðîñêîïèè òâåðäîãî òåëà â îäíîé êíèãå íåáîëüøîãî îáúåìà. Ìû
ñòàâèëè ïåðåä ñîáîé çàäà÷ó äàòü â ðóêè ýêñïåðèìåíòàòîðàì, çàíèìà-
þùèìñÿ ñïåêòðîñêîïèåé òâåðäîãî òåëà, ïîñîáèå, êîòîðîå áû âêëþ÷à-
ëî îñíîâíîé ìèíèìóì ñîâðåìåííûõ çíàíèé, íåîáõîäèìûé äëÿ ýòèõ
çàíÿòèé, è íå òðåáîâàëî áû îò ÷èòàòåëÿ èíîé ïîäãîòîâêè, êðîìå çíà-
íèé îáùèõ êóðñîâ, ÷èòàåìûõ âñåì ñòóäåíòàì-ôèçèêàì.
 îäíîé êíèãå òðóäíî îõâàòèòü âñå âîïðîñû ñïåêòðîñêîïèè òâåð-
äîãî òåëà, ïîýòîìó ñëåäóåò îãîâîðèòü, ÷òî áîëüøå âíèìàíèÿ ìû óäå-
ëÿåì äèýëåêòðèêàì, ÷åì ïîëóïðîâîäíèêàì è ìåòàëëàì. Ïðè îïèñà-
íèè òåõíèêè èçìåðåíèé ìû ïîäðîáíåå îïèñûâàåì ñïåêòðîñêîïèþ ñ
ïðèìåíåíèåì ñèíõðîòðîííîãî èçëó÷åíèÿ (ýòî ñâÿçàíî ñ ïîñëåäíèìè
íàèáîëüøèìè óñïåõàìè â ýòîé îáëàñòè), ÷åì ñ ëàáîðàòîðíûìè èñòî÷-
íèêàìè.
Íåñêîëüêî áîëüøåå âíèìàíèå óäåëåíî ëþìèíåñöåíöèè è âòîðè÷-
íûì ïðîöåññàì âîîáùå, âîçíèêàþùèì â òâåðäîì òåëå ïðè ïîãëîùå-
íèè ñâåòà. Êðîìå òîãî, ñîâðåìåííûå èíòåðåñû ñïåêòðîñêîïèè ïåðåõî-
äÿò â íåñêîëüêî íåòðàäèöèîííóþ îáëàñòü âàêóóìíîãî óëüòðàôèîëå-
òà, â êîòîðîé ïðîèñõîäÿò ïåðåõîäû â îáëàñòè ôóíäàìåíòàëüíîãî ïîã-
ëîùåíèÿ. Ïðè ýòîì ïðîÿâëÿþòñÿ âñå àñïåêòû ýëåêòðîííîé ñòðóêòóðû
äèýëåêòðèêîâ. Ýòîé îáëàñòè ñïåêòðà òàêæå óäåëåíî áîëüøîå âíèìà-
íèå. Ñïèñîê ëèòåðàòóðû âêëþ÷àåò â ñåáÿ ëèøü îñíîâíûå êíèãè, îáçî-
ðû è ñòàòüè, êîòîðûå ìîãóò ïîìî÷ü ÷èòàòåëþ óñâîèòü ìàòåðèàë êíè-
ãè.
Àâòîðû âûðàæàþò áëàãîäàðíîñòü ñîòðóäíèêàì ëàáîðàòîðèè ñèí-
õðîòðîííîãî èçëó÷åíèÿ ÌÃÓ çà ïîìîùü â ïîäãîòîâêå ìàòåðèàëà.
Ââåäåíèå
Ñïåêòðîñêîïèÿ òâåðäîãî òåëà äîñòàòî÷íî ñòàðàÿ è îäíîâðå-
ìåííî ìîëîäàÿ îáëàñòü ôèçèêè. Ñ îäíîé ñòîðîíû, ôåíîìåíîëîãè÷åñ-
êèå çàêîíû, èñïîëüçóåìûå â ñïåêòðîñêîïèè òâåðäîãî òåëà, óñòàíîâëå-
íû î÷åíü äàâíî (íàïðèìåð, çàêîí çàòóõàíèÿ ñâåòà â âåùåñòâå çàêîí
Áóãåðà—Ëàìáåðòà, ôîðìóëû Ôðåíåëÿ äëÿ îòðàæåíèÿ ñâåòà è äð.) è
ÿâëÿþòñÿ òîé îñíîâîé, áåç êîòîðîé íåìûñëèìî ñîçäàíèå íè îäíîãî
îïòè÷åñêîãî ïðèáîðà. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, äî ñèõ ïîð íå ðàçðåøåíû
ìíîãèå ïðîáëåìû âçàèìîäåéñòâèÿ ñâåòà ñ âåùåñòâîì, îñîáåííî â îá-
ëàñòè âàêóóìíîãî óëüòðàôèîëåòà, â êîòîðîé äî íåäàâíåãî âðåìåíè íå
áûëî óäîâëåòâîðèòåëüíûõ èñòî÷íèêîâ. Ïðåäëàãàåìîå èçäàíèå è ïîñ-
âÿùåíî ìíîãèì ñîâðåìåííûì ïðîáëåìàì îïòèêè òâåðäûõ òåë.
Ïðè èçó÷åíèè ñïåêòðàëüíûõ ñâîéñòâ òâåðäîãî òåëà ïðèõîäèòñÿ
ðàññìàòðèâàòü ïðàêòè÷åñêè âñå àñïåêòû ôèçèêè òâåðäîãî òåëà. Íàè-
áîëåå ïîëíîå ïîíèìàíèå ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ ïðè âçàèìîäåéñò-
âèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ ñ âåùåñòâîì, ñòàëî âîçìîæíûì
áëàãîäàðÿ ðàçâèòèþ êâàíòîâîé òåîðèè òâåðäîãî òåëà. Íåîáõîäèìî
âñïîìíèòü î òîì, ÷òî îäíî èç âàæíåéøèõ îïûòíûõ îáîñíîâàíèé êâàí-
òîâîé òåîðèè çàêîíû ôîòîýôôåêòà — áûëî èçó÷åíî Ýéíøòåéíîì
èìåííî êàê ðåçóëüòàò âçàèìîäåéñòâèÿ ñâåòà ñ ïîâåðõíîñòüþ òâåðäîãî
òåëà. Ðàçâèòèþ òåîðèè òâåðäîãî òåëà è âûÿñíåíèþ ìèêðîñêîïè÷åñ-
êèõ ñâîéñòâ òâåðäûõ òåë áûëè ïîñâÿùåíû ìíîãèå ðàáîòû Ëàíäàó,
Òàììà, Ôðåíêåëÿ, Èîôôå è äðóãèõ âåäóùèõ ñîâåòñêèõ ôèçèêîâ. Èõ
îñíîâîïîëàãàþùèå èññëåäîâàíèÿ ÿâëÿþòñÿ áàçèñîì, íà êîòîðîì
ñòðîÿòñÿ ìíîãèå ïðåäñòàâëåíèÿ î òâåðäîì òåëå. È â íàñòîÿùåå âðåìÿ
øêîëà ñîâåòñêèõ ôèçèêîâ âíîñèò ñóùåñòâåííûé âêëàä â èññëåäîâà-
íèÿ êîíäåíñèðîâàííûõ ñîñòîÿíèé.
Ñ ðàçâèòèåì ïðåäñòàâëåíèé î òâåðäîì òåëå ìåíÿåòñÿ è ïðåäìåò
èññëåäîâàíèÿ ñïåêòðîñêîïèè òâåðäîãî òåëà. Ïåðâîíà÷àëüíî èññëåäî-
âàëèñü ñâîéñòâà òâåðäûõ òåë, îïèñûâàåìûå ôåíîìåíîëîãè÷åñêèìè
ïîñòîÿííûìè, ò. å. ïðåëîìëåíèå, îòðàæåíèå ñâåòà, äèñïåðñèÿ ñâåòà â
òâåðäûõ òåëàõ è äð. Òåîðèÿ ýëåêòðîííîé ñòðóêòóðû òâåðäûõ òåë ðàç-
âèëàñü, â ÷àñòíîñòè, èç îïòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé, à ñ äðóãîé ñòîðî-
íû, ïðèâåëà ê áîëåå ãëóáîêîìó èññëåäîâàíèþ îïòèêè òâåðäûõ òåë. Â
ðàìêàõ ýòîé òåîðèè îïèñàíî èçäàâíà èçâåñòíîå ÿâëåíèå ëþìèíåñöåí-
öèè. Îäíàêî òîëüêî ðàçâèòèå ïðàêòè÷åñêèõ ïðèìåíåíèé
ëþìèíåñöåíöèè â 30-õ ãîäàõ çàñòàâèëî óãëóáëåííî èçó÷àòü ýòîò èíòå-
ðåñíûé ïðèìåð ìíîãî÷èñëåííûõ âòîðè÷íûõ ïðîöåññîâ, âîçíèêàþ-
ùèõ â òâåðäîì òåëå ïîñëå ïîãëîùåíèÿ êâàíòîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èç-
ëó÷åíèÿ. Âàæíóþ ðîëü â ýòîì ñûãðàëè ðàáîòû Âàâèëîâà, ˸âøèíà,
äðóãèõ ñîâåòñêèõ èññëåäîâàòåëåé. Ðàçâèòèå èññëåäîâàíèÿ ôèçè÷åñ-
êèõ àñïåêòîâ ëþìèíåñöåíöèè ïðèâåëî ê îáðàçîâàíèþ êðóïíûõ íàó÷-
íûõ êîëëåêòèâîâ, çàíèìàþùèõ âåäóùèå ïîçèöèè â ýòèõ âîïðîñàõ. Èç
ëþìèíåñöåíöèè âûðîñëî íàó÷íîå íàïðàâëåíèå, ïðîèçâîäÿùåå â íàñ-
òîÿùåå âðåìÿ íàó÷íî-òåõíè÷åñêèé ïåðåâîðîò âî ìíîãèõ îáëàñòÿõ ÷å-
ëîâå÷åñêîãî çíàíèÿ è ïðàêòèêè, ëàçåðíàÿ ôèçèêà. Ñåé÷àñ èññëåäî-
âàòåëåé â îáëàñòè ñïåêòðîñêîïèè òâåðäîãî òåëà çàíèìàþò ìíîãèå
î÷åíü òîíêèå âîïðîñû, ïîçâîëÿþùèå ýôôåêòèâíî ñîçäàâàòü êà÷åñò-
âåííî íîâûå ïðèáîðû, ñóùåñòâåííî ðàñøèðÿþùèå âîçìîæíîñòè ÷å-
ëîâå÷åñêîé ïðàêòèêè è íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé.
 èññëåäîâàíèÿõ ïî ñïåêòðîñêîïèè òâåðäûõ òåë îäíî èç îñíîâ-
íûõ ìåñò çàíèìàþò èñòî÷íèêè èçëó÷åíèé. Êëàññè÷åñêèå èñòî÷íèêè
ëàìïû íàêàëèâàíèÿ, íèçêîòåìïåðàòóðíûå ðàçðÿäíûå ëàìïû íå
â ñîñòîÿíèè óäîâëåòâîðèòü âñåì òðåáîâàíèÿì, ïðåäúÿâëÿåìûì ê èñ-
òî÷íèêàì ñâåòà, â ÷àñòíîñòè èç-çà îãðàíè÷åííîñòè äèàïàçîíà èçëó÷àå-
ìûõ äëèí âîëí. Ê 60-ì ãîäàì ñîçäàëîñü òàêîå ïîëîæåíèå, ÷òî ñóùåñò-
âîâàëî áîëüøîå êîëè÷åñòâî òèïîâ èñòî÷íèêîâ ñâåòà â èíôðàêðàñíîé
è âèäèìîé îáëàñòÿõ, óëüòðàôèîëåòå, à òàêæå â ðåíòãåíå. Îäíàêî
áîëüøèíñòâî èñòî÷íèêîâ â äàëåêîì óëüòðàôèîëåòå è ðåíòãåíå äàâàëî
ëèøü íàáîð îòäåëüíûõ ëèíèé, ÷òî, åñòåñòâåííî, íå ìîãëî óäîâëåòâî-
ðèòü èññëåäîâàòåëåé. Â ýòîì ïëàíå áûëî îñîáî öåííûì îòêðûòèå è
èññëåäîâàíèå, à çàòåì è ïðèìåíåíèå ñèíõðîòðîííîãî èçëó÷åíèÿ, ïîç-
âîëèâøåå çà ñ÷åò ñâîåãî íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà ïåðåêðûòü îáëàñòü
ìåæäó óëüòðàôèîëåòîì è äàëåêèì ðåíòãåíîì. Â ïðåäñêàçàíèè, ðàç-
âèòèè òåîðèè è èññëåäîâàíèè ñèíõðîòðîííîãî èçëó÷åíèÿ îñíîâíóþ
ðîëü ñûãðàëè ñîâåòñêèå ôèçèêè Èâàíåíêî, Ïîìåðàí÷óê, Ñîêîëîâ,
Òåðíîâ, Êîðîëåâ. Ñèíõðîòðîííîå èçëó÷åíèå, êàê îêàçàëîñü, èìååò è
äðóãèå èíòåðåñíûå ñâîéñòâà, äåëàþùèå åãî óíèêàëüíûì äëÿ öåëîãî
ðÿäà èññëåäîâàíèé.
 íàñòîÿùåå âðåìÿ ñïåêòðîñêîïèÿ òâåðäîãî òåëà îõâàòûâàåò íàñ-
òîëüêî øèðîêèé êðóã âîïðîñîâ, ÷òî îñâåòèòü èõ âñå â îäíîé êíèãå
ïðàêòè÷åñêè íåâîçìîæíî.  ñâÿçè ñ ýòèì îòáîð ìàòåðèàëà, åñòåñòâåí-
íî, äèêòîâàëñÿ âî ìíîãîì èíòåðåñàìè àâòîðîâ. Ýòî îïðàâäàíî òåì,
÷òî â íàñòîÿùåå âðåìÿ èçäàíî áîëüøîå ÷èñëî ïðåâîñõîäíûõ êíèã ïî
ôèçèêå òâåðäîãî òåëà, íåîáõîäèìî îõâàòûâàþùèõ è îòäåëüíûå âîï-
ðîñû ñïåêòðîñêîïèè òâåðäîãî òåëà [1—8]. Èìåþòñÿ è êíèãè, ïîñâÿ-
ùåííûå òîëüêî ñïåêòðîñêîïèè [9—17]. Îäíàêî â áîëüøèíñòâå ýòèõ
ìîíîãðàôèé è ó÷åáíèêîâ ðàññìàòðèâàþòñÿ âîïðîñû îïòèêè â òðàäè-
öèîííûõ îáëàñòÿõ ñïåêòðà–îò èíôðàêðàñíîãî ñâåòà äî óëüòðàôèîëå-
òà, ïîýòîìó è îáúåêòû ðàññìîòðåíèÿ ýòî â îñíîâíîì ìåòàëëû è ïî-
ëóïðîâîäíèêè. Ñ ïðîäâèæåíèåì â îáëàñòü áîëåå âûñîêîýíåðãè÷íûõ
Ââåäåíèå 9
ôîòîíîâ, â îáëàñòü âàêóóìíîãî óëüòðàôèîëåòà ïîÿâèëàñü íåîáõîäè-
ìîñòü ðàññìîòðåòü ñ åäèíûõ ïîçèöèé îïòèêó øèðîêîçîííûõ äèýëåêò-
ðèêîâ, èìåþùóþ ñâîè îñîáåííîñòè. Ïîýòîìó â äàííîé êíèãå îñíîâíîå
âíèìàíèå óäåëåíî èìåííî äèýëåêòðèêàì.
Êíèãà ñîñòîèò èç ïÿòè ãëàâ. Â ïåðâîé ãëàâå ðàññìîòðåíû íåêîòî-
ðûå îáùèå âîïðîñû âçàèìîäåéñòâèÿ ñâåòà ñ âåùåñòâîì, à òàêæå îñ-
íîâíûå ñâîéñòâà èñòî÷íèêîâ ñâåòà è óñòàíîâîê äëÿ èññëåäîâàíèÿ âçà-
èìîäåéñòâèÿ èçëó÷åíèÿ ñ òâåðäûì òåëîì. Íåñêîëüêî íåîáû÷íûì ÿâ-
ëÿåòñÿ ðàçäåëåíèå ìàòåðèàëà ìåæäó âòîðîé è òðåòüåé ãëàâàìè—ñâîé-
ñòâàìè òâåðäûõ òåë â ïðèáëèæåíèè íåäåôîðìèðóåìîé ðåøåòêè è
ñïåêòðîñêîïèè ñ ó÷àñòèåì ôîíîíîâ. Òàêîå ðàçäåëåíèå ïîçâîëÿåò íàè-
áîëåå íàãëÿäíî ïðîäåìîíñòðèðîâàòü ðîëü ðàçëè÷íûõ ïðèáëèæåíèé â
ôèçèêå òâåðäîãî òåëà è ïîä÷åðêíóòü âçàèìîñâÿçü âñåõ ÿâëåíèé â
òâåðäîì òåëå.  ÷åòâåðòîé ãëàâå ðàññìîòðåíû âîïðîñû òåõíèêè îïòè-
÷åñêèõ èçìåðåíèé òâåðäîãî òåëà â ÂÓÔ-îáëàñòè ñïåêòðà, â îñíîâíîì
ñ èñïîëüçîâàíèåì ñèíõðîòðîííîãî èçëó÷åíèÿ. Íà îñíîâàíèè ðàññìîò-
ðåííûõ ñâîéñòâ îòäåëüíûõ ýëåìåíòàðíûõ âîçáóæäåíèé â ïÿòîé ãëàâå
èçó÷àþòñÿ âòîðè÷íûå ïðîöåññû—ëþìèíåñöåíöèÿ, ôîòîýìèññèÿ è
äð., â ôèçè÷åñêîì îïèñàíèè êîòîðûõ ó÷àñòâóþò ïðàêòè÷åñêè âñå ýëå-
ìåíòàðíûå âîçáóæäåíèÿ ýëåêòðîíû, äûðêè, ýêñèòîíû, ôîíîíû,
ïëàçìîíû è ò. ä. Òåì ñàìûì çàâåðøàåòñÿ îïèñàíèå êàðòèíû ÿâëåíèé,
âîçíèêàþùèõ ïðè âçàèìîäåéñòâèè ôîòîíà ñ òâåðäûì òåëîì.
10 Ãëàâà 1. Âçàèìîäåéñòâèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ òâåðäûì òåëîì
Ãëàâà 1
Âçàèìîäåéñòâèå ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ
òâåðäûìè òåëàìè
§ 1 Ôåíîìåíîëîãè÷åñêîå îïèñàíèå
âçàèìîäåéñòâèÿ ñâåòà ñ âåùåñòâîì
Ïðè èçó÷åíèè âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ ñ êîí-
äåíñèðîâàííûìè ñîñòîÿíèÿìè âåùåñòâà ðîëü ôåíîìåíîëîãè÷åñêîãî
îïèñàíèÿ òðóäíî ïåðåîöåíèòü. Ýòî ñïðàâåäëèâî íå òîëüêî äëÿ îïèñà-
íèÿ âîçäåéñòâèÿ âíåøíèõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîëåé íà ñðåäó, íî è
äëÿ îïèñàíèÿ ñâîéñòâ ôóíäàìåíòàëüíûõ âîçáóæäåíèé êîíäåíñèðî-
âàííîé ñðåäû. Ïîýòîìó âíà÷àëå ñôîðìóëèðóåì îñíîâíûå ïîíÿòèÿ,
õàðàêòåðèçóþùèå ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîëÿ â âàêóóìå è â ñðåäå.
1.1 Îïòè÷åñêèå ôóíêöèè òâåðäûõ òåë
Ïðîèçâîëüíîå ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå ìîæåò áûòü ïîëíîñòüþ
îïèñàíî âåêòîð-ïîòåíöèàëîì
Ar(, )t
è ñêàëÿðíûì ïîòåíöèàëîì
ϕ ()r, t
, äåéñòâóþùèìè íà òî÷êó
r
â ìîìåíò âðåìåíè
t
. Ýòè ïîòåíöèà-
ëû îïðåäåëÿþò ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå
Er(, )t
è ìàãíèòíóþ èíäóêöèþ
Br(, )t
ñëåäóþùèì îáðàçîì (ñì., íàïðèìåð, Ëàíäàó, Ëèôøèö, 1958a,
Ëàíäàó, Ëèôøèö, 1958c):
()
()
()
() ()
Er
Ar
r
Br Ar,
,
,
,,
,.
t
c
t
t
t
tt
=−
−∇
=
1
ϕ
rot
Âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ óäîáíî ðàáîòàòü ñ ìîíîõðîìàòè÷åñêèìè èëè
êâàçèìîíîõðîìàòè÷åñêèìè ïëîñêèìè ïîëÿìè. Èç-çà êàëèáðîâî÷íîé
èíâàðèàíòíîñòè ïîòåíöèàëîâ ñêàëÿðíûé ïîòåíöèàë
ϕ(, )r t
äëÿ òàêèõ