27

 оптические квантовые генераторы – это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 10¹²–10¹³ Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных экспериментах, в химии, просто в быту и т. д. Хотя первый оптический квантовый генератор был построен сравнительно недавно (1960 г.), современную жизнь уже невозможно представить без лазеров.

Одним из важнейших свойств лазерного излучения является чрезвычайно высокая степень его монохроматичности, недостижимая в излучении нелазерных источников. Это и все другие уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.

Рубиновый лазер.

В лазерах этот кристалл имеет высокий порог генерации и, следовательно, низкий КПД, обычно 0,5%. Его выходная мощность также сильно зависит от рабочей температуры, что ограничивает частоту повторения импульсов величиной 10 Гц или менее. В то же время этот материал термически стоек и не боится перегрева. Однако его широкое применение ограничивает достаточно высокая стоимость специально выращенного кристалла, особенно если требуется стержень больших размеров. Поэтому рубиновые лазеры применяются, когда необходимо излучение длиной волны 694 нм или не требуется высокая энергия на выходе и КПД не играет существенной роли. Например, такие лазеры стали широко использоваться для специальной фотографии - голографии, после того, как удалось добиться достаточной чувствительности пленки на частоте 694 нм. Эти лазеры более удобны и для пробивки очень точных отверстий, так как с уменьшением длины волны размеры точки фокуса, ограничивающиеся дифракцией, уменьшаются. Не так давно некоторые ученые предсказывали, что рубиновый лазер скоро отслужит свой срок. Однако в настоящее время полупроводниковые приборы на арсениде галлия (GaAs) могут свариваться с тугоплавкими металлическими проводниками с помощью импульсного рубинового лазера. Процесс длится 100 нс вместо 5-30 мин, которые требуются при обычной сварке с последующим отжигом. Это важное достижение применяется в электронных системах, используемых в спутниковой связи, реактивных двигателях, геотермальных скважинах, атомных реакторах, приемниках радиолокационных станций и ракет, интегральных микроволновых цепях.

Свойства лазерного излучения

 

Излучение лазера представляет собой поток летящих почти параллельно одинаковых фотонов. Это придает ему ряд важных особенностей.

Во-первых, очень малая расходимость лазерного излучения. Если, например, диаметр лазерного пучка 1 см, а длина волны 5·10_5 см, то угол расходимости составит всего 0,003°, то есть, фактически, получаем параллельный поток излучения.

Спомощью собирающих линз и зеркал лазерные лучи можно сфокусировать в точку размером 500 нм (для видимого света).Если такой луч послать на Луну, то он высветит на её поверхности круг диаметром 30 м. Луч хорошего прожектора осветилбы поверхность диаметром 40.000 километров.

Во-вторых, лазерное излучение обладает высокой монохромностью, т. е. имеет практически одну_единственную частоту и соответствующую ейодну-единственную длину волны. Это объясняется тем, что у всех фотонов в лазерном лучеодинаковая энергия.

Третья особенность лазерного излучения состоит в том, что можно в широких пределах управлять длительностью излучения от сколь угодно длительных до сверхкоротких (вплоть до 10_15с) импульсных вспышек. Импульсы такой малой длительности имеют в пространстве ничтожно малую длину и огромную мощность. Современные лазеры излучают в одном таком импульсе энергию до нескольких тысяч джоулей! Это сравнимо с мощностью крупнейшихэлектростанций. Огромная мощность лазерного излучения приводит к тому, что вещества, освещенные лазером, могут быть нагреты до весьма высокихтем-ператур.

Интенсивность сфокусированного лазерного луча может быть 1020 Вт/см2 и более, при этом напряженность электрического поля в луче достигает 1011 В/см. Под действием такого сильного поля происходит не только ионизация атомов- они расщепляются на электроны и положительные ионы, но и термоядерные реакции, в ходе которых одни элементы превращаются в другие.

Лазеры имеют многочисленные применения в технике для сварки, резки и плавления металлов, в медицине,как бескровные скальпели при лечении разных болезней. Лазерная локация позволила измерить скорость вращения планет и уточнить характеристики движения Луны и Венеры. Лазеры используются в оптоволоконных линиях связи для передачи и обработки большого объема информации. Лазеры считывают информацию с компакт-дисков в каждом компьютере и проигрывателе.

Наконец, применяя лазеры для нагрева плазмы, пытаются решить проблему управляемого термоядерного синтеза. В настоящее время созданы лазеры, генерирующие излучение в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн.

За создание лазеров советские физики Н. Басов и А. Прохоров вместе с американским физиком Ч. Таунсом в 1964 году получили Нобелевскую премию.

28

Радиоактивное излучение и его виды

        Французский физик А.Беккерель в 1896 г. при изучении люминесценции солей урана случайно обнаружил самопроизвольное испускание ими излучения неизвестной природы, которое действовало на фотопластинку, ионизировало воздух, проникало сквозь тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Продолжая исследования этого явления, Мария и Пьер Кюри обнаружили, что беккерелевское излучение свойственно не только урану, но и многим другим тяжелым элементам, таким, как торий и актиний. Они показали также, что урановая смоляная обманка, из которой добывается металлический уран, испускает излучение, интенсивность которого во много раз превышает интенсивность излучения урана. Им удалось выделить два новых элемента, которые являются носителями беккерелевского излучения: полоний   и радий  .

        Обнаруженное излучение было названо радиоактивным излучением, а само явление испускания радиоактивного излучения получило название радиоактивности.

        Дальнейшие опыты показали, что на характер радиоактивного излучения препарата не оказывают влияния вид химического соединения, агрегатное состояние, механическое давление, температура, электрические и магнитные поля, т.е. все те воздействия, которые могли бы привести к изменению состояния электронной оболочки атома. Следовательно, радиоактивные свойства элемента обусловлены лишь структурой его ядра.

        В настоящее время под радиоактивностью понимают способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется на естественную, которая наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе, и на искусственную, которая наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций. Принципиального различия между этими двумя типами радиоактивности нет, т.к. законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы.

        Радиоактивное излучение бывает трех типов:  ,  , и  излучение. Подробное их исследование позволило выяснить природу и основные свойства.

         Излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью. Например, это излучение поглощается слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм.  Излучение представляет собой поток ядер гелия; заряд  частицы равен +2e, а масса совпадает с массой ядра изотопа гелия  . По отклонению  частиц в электрическом и магнитном полях был определен их удельный заряд  , величина которого подтвердила правильность представлений об их природе.

         Излучение отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше (примерно на два порядка величины), а проникающая способность гораздо больше (поглощается слоем алюминия толщиной примерно 2 мм), чем у  частиц.  Излучение представляет собой поток быстрых электронов, что вытекает из определения их удельного заряда.

        Поглощение потока электронов с одинаковыми скоростями в однородном веществе подчиняется экспоненциальному закону

,

где N₀ и N - число электронов на входе и выходе слоя вещества толщиной x;  - коэффициент поглощения.

         Излучение сильно рассеивается в веществе, поэтому   зависит не только от вещества, но и от размеров и формы тел, на которые  излучение падает.

         Излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью. Например,  излучение проходит через слой свинца толщиной 5 см. При прохождении через кристаллы это излучение обнаруживает дифракцию.  Излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны ( м) и, вследствие этого проявляет ярко выраженные корпускулярные свойства, т.е. является потоком частиц -  квантов (фотонов).