Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 11 клас>> Фізика: Лазер. Створення та застосування квантових генераторів. Узагальнення та систематизація знань з теми ”Будова атома”
СЕМІНАР. ЛАЗЕР. СТВОРЕННЯ ТА ЗАСТОСУВАННЯ КВАНТОВИХ ГЕНЕРАТОРІВ. УЗАГАЛЬНЕННЯ ТА СИСТЕМАТИЗАЦІЯ ЗНАНЬ З ТЕМИ "БУДОВА АТОМА".
Як уже зазначалося, атом не може тривалий час перебувати у збудженому стані — через деякий час (порядку 10-8с) він переходить в умовно стабільний або стабільний стан. Такий самочинний його перехід з одного енергетичного стану в інший супроводжується, як правило, спонтанним випромінюванням кванта світла певної частоти. Оскільки це відбувається з кожним атомом довільно, то за звичайних умов спостерігається спонтанне випромінювання світла атомами, яке в сукупності є різночастотним, немонохроматичним і некогерентним за своєю природою. Електромагнітне випромінювання певної частоти (довжини хвилі) називають монохроматичним; випромінювання, що має однакову фазу, є когерентним У 1917 р. А. Ейнштейн припустив, що за певних умов випромінювання може бути вимушеним. Зокрема, якщо електрон в атомі переходить з одного енергетичного рівня на інший під дією зовнішнього електро-магнітного поля, частота якого збігається з власною частотою квантового переходу електрона то випромінювання буде індукованим. Індуковане електромагнітне випромінювання є монохроматичним і когерентним. Особливістю такого випромінювання є те, що воно поширюється в тому самому напрямку, що й падаюче світло, є монохроматичним і когерентним з ним, тобто не відрізняється від поглинутої атомом електромагнітної хвилі ні за частотою, ні за фазою, ні за поляризацією. Інакше кажучи, внаслідок проходження електромагнітної хвилі крізь речовину може відбуватися когерентне підсилення світла за рахунок індукованого випромінювання (мал. 7.11). Таке підсилення можливе лише тоді, коли більшість атомів речовини перебуває у збудженому метастабільному стані. З цією метою можна використовувати різні способи активізації речовини. Зокрема, в рубінових лазерах це робиться за допомогою потужної лампи, яка змушує електрон до квантового переходу на вищий рівень за рахунок поглинання фотона. У такому стані атом може перебувати недовго, і тому через деякий час він повертається у стабільний стан, випромінюючи при цьому світло з частотою падаючого випромінювання: . Це явище, передбачене ще А.Ейнштейном, покладено в основу принципу дії квантових генераторів і підсилювачів. У 1954 р. російські вчені М. Г. Басов і О. М. Прохоров та незалежно від них у 1955 р. американський фізик Ч. Таунс створили перший квантовий підсилювач електромагнітного випромінювання в діапазоні радіохвиль так званий мазер. У 1964 р. вони були удостоєні Нобелівської премії за фундаментальні праці в галузі квантової електроніки. У 1960 р. американський фізик Т. Мейман створив на кристалі рубіна перший квантовий генератор оптичного діапазону, названий лазером. Рубіновий лазер складається з кристала рубіна (оксид Алюмінію АІ2О3 з домішками Хрому), виготовленого у формі стрижня 1 з плоскопаралельними торцями 2 (мал. 7.12). Один із торців роблять дзеркальним, а другий — напівпрозорим. Рубіновий стрижень охоплює спіральна газорозрядна лампа імпульсного режиму 3, у спектрі випромінювання якої є електромагнітна хвиля збуджувальної частоти. Атом Хрому в кристалі рубіна, поглинаючи фотон з довжиною хвилі 560 нм, активізується і переходить з основного, стабільного стану Е1 у збуджений з енергією E3 (мал. 7.13). У такому стані він існує недовго (близько 10-8 с), після чого самочинно переходить на метастабільний рівень E2, в якому перебуває більш тривалий час (близько 10-3 с). Така трирівнева система активізації рубіна дає змогу насичувати його метастабільний енергетичний рівень. Оскільки більшість атомів Хрому знаходиться у збудженому стані, можливе підсилення світла за рахунок вимушеного електромагнітного випромінювання внаслідок квантового переходу атома з метастабільного енергетичного рівня Е2 на основний з енергією Е1. Лазер — абревіатура слів англійського виразу «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання) За допомогою лазерів можна досягати інтенсивності короткочасних імпульсів 1014 Втсм2 , що перевищує інтенсивність випромінювання Сонця в 1010 разів У підсиленні основну роль відіграють хвилі, що прямують уздовж осі стрижня. Багаторазово відбиваючись від плоскопаралельних торців, вони створюють інтенсивне монохроматичне когерентне випромінювання. Лазерне випромінювання характеризується певними властивостями, які вирізняють його серед інших джерел світла. Насамперед це вузькоспрямоване проміння з малим кутом розходження (до 10-5рад). Внаслідок цього можлива точна локалізація променя і його вибіркова дія на атоми, іони, молекули, яка викликає фотохімічні реакції, фотодисоціацію та інші фотоелектричні явища. Ця його властивість використовується в лазерній хімії, технологіях запису інформації на лазерних дисках, лікуванні зору тощо. Вийняткова монохроматичність і когерентність лазерного випромінювання дає змогу використовувати його в побудові стандартів частоти, спектроскопії, голографії, волоконній оптиці, в астрофізичних дослідженнях небесних тіл, тощо. Наприклад, за допомогою лазерної локації вдалося уточнити параметри руху Місяця і Венери, швидкість обертання Меркурія, наявність атмосфер у планет. Висока сконцентрованість енергії лазерного променя дає змогу досягти значної інтенсивності випромінювання, надвисоких температур і тисків. Це використовують у зварюванні і плавленні металів, для одержання надчистих матеріалів, у лазерній хірургії, під час термоядерного синтезу тощо. Залежно від активної речовини лазери бувають газові, рідинні, напівпровідникові та твердотілі. З появою лазерів започатковані такі нові розділи фізики, як нелінійна оптика і голографія. ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ 25 ЗАПИТАННЯ
ГОЛОВНЕ В РОЗДІЛІ 7 • Експериментальні дослідження Е. Резерфорда та його співробітників, теоретичні узагальнення Н. Бора, Р. Шредингера, Л. де Бройля, В. Гейзенберга та інших учених створили підґрунтя для розвитку на початку XX століття атомної фізики як квантової теорії. Цьому передували відкриття Х-променів В. К. Рентгеном (1895 p.), радіоактивності А. Беккерелем (1896 p.), електрона Дж. Дж. Томсоном (1897 р.) тощо. • У 1911 році на підставі одержаних експериментальних даних Е.Резерфорд запропонував ядерну модель атома: атом складається з позитивно зарядженого ядра, навколо якого обертаються електрони. • У 1913 році Н. Бор сформулював квантові постулати: • Квантові постулати Бора пов'язали між собою ядерну модель атома Резерфорда, побудовану на класичній теорії, і квантовий характер змін внутрішнього стану атома, що було підтверджено експериментально. Перший постулат знайшов підтвердження в дослідах Д. Франка і Г. Герца. Другий постулат пояснював закономірності лінійчастих спектрів, природу яких класична фізика так і не змогла розкрити. • Загалом спектри електромагнітних хвиль розділяють на спектри випромінювання, спектри поглинання, спектри розсіяння і спектри відбиття. Вони можуть бути суцільними, що охоплюють широкий діапазон довжин хвиль, лінійчастими, що складаються з окремих спектральних ліній певної довжини хвилі X, і смугастими, тобто набором окремих смуг, що належать певному інтервалу довжин хвиль. • Механізм утворення суцільних оптичних спектрів спроможна пояснити класична фізика: поглинуте електромагнітне випромінювання збуджує в речовині хвилі, частота яких відповідає частоті падаючого світла. Проте вона виявляється безсилою при поясненні лінійчастих і смугастих спектрів. їхню природу можна зрозуміти лише на основі квантових постулатів Бора: атом чи молекула випромінює або поглинає світло внаслідок їх квантового переходу з одного стану в інший. • Самочинний перехід атома з одного енергетичного стану в інший супроводжується, як правило, спонтанним випромінюванням кванту світла певної частоти. Оскільки це відбувається довільно кожним атомом, то за звичайних умов спонтанне випромінювання світла атомами в сукупності є різночастотним, немонохроматичним і некогерентним за своєю природою. • За певних умов випромінювання може бути вимушеним, індукованим, якщо електрон в атомі перейде з одного енергетичного рівня на інший під дією зовнішнього електромагнітного поля, частота якого співпадає з власною частотою квантового переходу електрона. Індуковане випромінювання є монохроматичним і когерентним. На цій властивості ґрунтується дія квантових генераторів — лазерів і мазерів. Лазери бувають газовими, рідинними, напівпровідниковими і твердотілими. • Завдяки монохроматичності й когерентності випромінювання лазери знайшли широке практичне використання в спектроскопії, голографії, волоконній оптиці, в астрофізичних дослідженнях тощо. Висока сконцентрованість енергії лазерного променя дає можливість досягати значної інтенсивності випромінювання, надвисоких температур і тисків, що використовується нині у зварюванні і плавленні металів, при одержанні надчистих матеріалів, у лазерній хірургії, під час термоядерного синтезу.
Є.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.Ф. Савченко, Фізика, 11 клас
Зміст уроку конспект уроку і опорний каркас презентація уроку акселеративні методи та інтерактивні технології закриті вправи (тільки для використання вчителями) оцінювання Практика задачі та вправи,самоперевірка практикуми, лабораторні, кейси рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський домашнє завдання Ілюстрації ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа реферати фішки для допитливих шпаргалки гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати Доповнення зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ) підручники основні і допоміжні тематичні свята, девізи статті національні особливості словник термінів інше Тільки для вчителів ідеальні уроки календарний план на рік методичні рекомендації програми обговорення
Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум. |
Авторські права | Privacy Policy |FAQ | Партнери | Контакти | Кейс-уроки
© Автор системы образования 7W и Гипермаркета Знаний - Владимир Спиваковский
При использовании материалов ресурса
ссылка на edufuture.biz обязательна (для интернет ресурсов -
гиперссылка).
edufuture.biz 2008-© Все права защищены.
Сайт edufuture.biz является порталом, в котором не предусмотрены темы политики, наркомании, алкоголизма, курения и других "взрослых" тем.
Ждем Ваши замечания и предложения на email:
По вопросам рекламы и спонсорства пишите на email: