Опыты по фотолюминесценции впервые в России были проведены в 50-х годах ХХ в. С.И.Вавиловым.
ЛАЗЕРЫ(уч.11кл.стр.340-344)
Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения
История создания лазеров
Инверсная населенность
Метастабильное состояние
Принцип действия рубинового лазера
Основные особенности лазерного излучения
Применение лазеров
Рассмотрим возможные процессы взаимодействия атома с фотоном.
Энергия фотона hυ = E2 – E1 (энергии возбужденного и основного состояний атома)
1. Поглощение света
Электрон атома, находящийся в основном состоянии с энергией Е1, может поглотить фотон, перейдя в возбужденное состояние с энергией Е2 > E1. Интенсивность поглощенного излучения пропорциональна концентрации атомов, находящихся в основном состоянии
2. Спонтанное излучение
В отсутствие внешних полей или столкновений с другими частицами электрон, находящийся в возбужденном состоянии, через время порядка 10-8-10-7с самопроизвольно (спонтанно) возвращается в основное состояние, излучая фотон.
Спонтанное излучение – излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое.
Спонтанное излучение разных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.
3. Индуцированное излучение
В 1917 г. Эйнштейн предсказал, что возбужденный атом может излучать под действием падающего на него света.
Переход электрона с верхнего энергетического уровня на нижний с излучением кванта может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля с частотой, равной собственной частоте перехода
Такое излучение называют вынужденным или индуцированным.
Индуцированное (вынужденное) излучение – излучение атома, возникающее при его переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.
Интенсивность индуцированного излучения пропорциональна концентрации атомов, находящихся в возбужденном состоянии.
У световой волны, возникшей при индуцированном излучении, частота, фаза, поляризация и направление распространения оказываются такими же, как и у волны, падающей на атом.
Это означает, что к первичному фотону, падающему на атом от внешнего источника, добавляется идентичный фотон индуцированного излучения атома. Тем самым увеличивается интенсивность внешнего излучения – возникает оптическое усиление.
В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном , частота которого равна частоте перехода, высока вероятность появления двух одинаковых фотонов с одинаковым направлением и частотой.
В итоге получается результирующая волна с амплитудой большей, чем у падающей.
Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно. Это свойство положено в основу действия лазеров (оптических квантовых генераторов).
В 1939 г. российский физик В.А.Фабрикант наблюдал экспериментальное усиление электромагнитных волн (оптическое усиление) в результате процесса индуцированного излучения.
Российские ученые Н.Г.Басов и А.М.Прохоров и американский физик Ч.Таунс, создавшие в 1954 г. квантовый генератор излучения, были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии.
Первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом диапазоне, был создан в 1960 г. американским физиком Т.Мейманом.
Лазер – Light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения
Лазер – источник излучения, усиливаемого в результате индуцированного излучения.
Усиление падающего на среду излучения возникает тогда, когда интенсивность индуцированного излучения превысит интенсивность поглощенного излучения.
Это произойдет в случае инверсной населенности, если в возбужденном состоянии находится больше частиц, чем в основном n2 > n1
В состоянии термодинамического равновесия с минимальной энергией усиления не происходит.
Для того, чтобы вещество усиливало проходящий через него свет, необходимо, чтобы более половины его электронов находилось в возбужденном состоянии. Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью уровней.
В этом случае поглощение фотонов будет происходит реже, чем испускание.
Инверсная населенность энергетических уровней – неравновесное состояние среды, при котором концентрация атомов в возбужденном состоянии больше, чем концентрация атомов в основном состоянии.
Состояние, при котором больше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называют состоянием с инверсной населенностью энергетических уровней.
Состояние вещества, в котором меньше половины атомов находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с нормальной населенностью энергетических уровней.
Спонтанные переходы являются фактором, препятствующим накоплению атомов в возбужденном состоянии. Этим можно пренебречь, если возбужденное состояние метастабильно.
Метастабильное состояние – возбужденное состояние электрона в атоме, в котором он может находиться достаточно долго (порядка 10-3с) по сравнению с обычным возбужденным состоянием (10-8с)
Система атомов с инверсной населенностью энергетических уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение.
Принцип действия рубинового лазера (оптического квантового генератора)
Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия Al2O3, в котором часть атомов имеет примеси хрома Cr3+.
С помощью мощного импульса лампы-вспышки («оптической накачки») ионы хрома переводятся из основного E1в возбужденное состояние E3.
Процесс перевода атомов из основного в возбужденное состояние называют накачкой, используемую для этого лампу – лампой накачки.
Через 10-8с ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке, переходят на метастабильный энергетический уровень E2 < E3, на котором начинают накапливаться.
Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной населенности: n2 > n1.
Случайный фотон с энергией hυ = E2 – E1 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов.
Для работы в режиме генератора нужна положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода подается на вход.
Для этого активная среда, в которой создается инверсная населенность уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал.
При соответствующей (параболической) форме отражающего зеркала возможно создать луч в одном направлении.
Индуцированное излучение, распространяющееся вдоль цилиндрического кристалла рубина, многократно отражается от его торцов и быстро усиливается.
Один из торцов рубинового стрежня делают зеркальным, а другой – частично прозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета 694.3 нм.
Основные особенности лазерного излучения:
- исключительная монохроматичность и когерентность
- очень малый угол расхождения (около 10-5 град)
- наиболее мощный искусственный источник света. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.
Полное высвечивание всех возбужденных атомов происходит за 10-10с, поэтому мощность лазера достигает миллиардов ватт.
Существуют также лазеры на газовых лампах, достоинством которых является непрерывность излучения.
Применение лазеров:
- связь
- точное измерение больших расстояний
- считывание информации
- хирургическая техника
- сварка и резка материалов
- управляемая термоядерная реакция
- топография
- голография
ДОБАВИТЬ ПРО МАЗЕРЫ и ПАЗЕРЫ
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЕ (уч.10кл.стр.227-228, уч.11кл.стр.387-389,406)
Все вещества состоят из движущихся и взаимодействующих между собой атомов и молекул.
Простые вещества состоят из одинаковых атомов, сложные – из атомов различных химических элементов.
Атом – наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
В центре атома находится положительно заряженное ядра, вокруг которого движутся отрицательно заряженные электроны.
Главной характеристикой химического элемента является заряд ядра атома.
Z – зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре, совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе химических элементов.
Атом электронейтрален. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов.
Кроме протонов в ядре атома содержаться нейтроны, связанные с протонами сильным взаимодействием.
Общее название протонов и нейтронов, входящих в состав ядра – нуклоны.
Массовое число А равно сумме нуклонов ядра (протонов и нейтронов)
A = Z + N
Изотоп – разновидность одного и того же химического элемента, атом которого содержит одинаковое число протонов в ядре и разное число нейтронов.
Масса атома меньше суммарной массы частиц, входящих в его состав.
Дефект массы – разность суммарной массы отдельных частиц, входящих в состав атома (ядра) и полной массы атома (ядра)
Дефект массы обусловлен выделением энергии при образовании атома.
∆E = ∆mc2
Атомная единица массы (а.е.м.) – средняя масса нуклона в атоме углерода
Атомная единица массы равна 1/12 массы атома углерода
1 а.е.м. = 1,66*10-27 кг
Относительная атомная масса Мr – число атомных единиц массы, содержащихся в массе атома.
ma = Mr *1,66*10-27 кг
Протон – нуклон в заряженном состоянии
Нейтрон – нуклон в нейтральном состоянии
Протон и нейтрон обладают полуцелым спином ћ/2
Ядро атома любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98
