58. Люмінесценція. Оптичні квантові генератори та їх застосування.

Люмінесценція - випромінювання, що представляє собою надлишок над тепловим випромінюванням тіла при даній температурі і має тривалість, значно перевищує період світлових хвиль. Перша частина цього визначення запропонована Е. Відоманом і відокремлює люмінесценцію від рівноважного теплового випромінювання. Друга частина - ознака тривалості - введена С. І. Вавілов для того, щоб відокремити люмінесценцію від інших явищ вторинного світіння - віддзеркалення і розсіювання світла, а також від вимушеного випускаючи ¬ ня, гальмівного випромінювання заряджених частинок. Для виникнення люмінесценції потрібно, отже, будь-якої джерело енергії, відмінний від рівноважної внутрішньої енергії даного тіла, що відповідає його температурі.Для підтримки стаціонарної люмінесценції це джерело має бути зовнішнім.Нестаціонарна люмінесценція може відбуватися під час переходу тіла в одно ¬ навесні стан після попереднього збудження (за ¬ Туханов люмінесценції). Як випливає з самого визначення, поняття люмінесценції відноситься не до окремих випромінюючих атомів або молекул, а й до їх совокупностям - тілах. Елементарні акти збудження молекул і випускаючи ¬ ня світла можуть бути однаковими в разі теплового випромінювання та люмінесценції. Різниця полягає лише у відносному числі тих чи інших енергетичних переходів. З визначення люмінесценції слід, також, що це поняття застосовується лише до тіл мають певну температуру. У разі сильного відхилення від теплового рівноваги говорити про температурний рівновазі або люмінесценції не має сенсу.

Квáнтовий генерáтор - загальна назва джерел електромагнітного випромінювання, що працюють на основі вимушеного випромінювання атомів і молекул. Залежно від того, хвилі якоїдовжини випромінює квантовий генератор, він може називатися по різному: лазер, мазер, разер, газер.

Вперше на можливість створення квантового генератора вказав радянський фізик В. А. Фабрикант в кінці 40-х років. Перший мазер на молекулах аміаку (розчин аміаку у воді - нашатирний спирт) був зроблений в 1954 році одночасно і незалежно у Фізичному інституті Академії наук СРСР Н. Г. Басовим і А. М. Прохоровим і в Колумбійському університеті Чарлзом Таунсом зі співробітниками. В 1964 році за цю роботу їм була присуджена Нобелівська премія.

59. Структура ядер. Нуклони. Вплив кулонівських і ядерних сил на стабільність ядер. Заряд і маса ядра. Ізотопи.

До 1932 р. фізиками були відомі тільки три елементарні частинки: електрон, протон і фотон. Тому було зроблено припущення, що ядро атома складається із протонів і електронів (протонно- електронна гіпотеза). Вважалось, що до складу ядра з порядковим номером Z у періодичній системі елементів Менделєєва і масовим числомА протонів A-Z електронів. Відповідно до цієї гіпотези електрони, що входили до ядра. Виконували роль засобу, за допомогою якого позитивно заряджені протони утримувались у ядрі. Проте ця гіпотеза виявилась нездатною пояснювати ряд експериментальних даних і була відкинута. Одне з таких утруднень - це неспроможність пояснити те, чому спін ядра азоту дорівнює одиниці.

У 1932 р. Дж. Чедвік відкрив нейтрон. Після відкриття нейтрона Д.Д. Іваненко і Є.М. Гапон висунули гіпотезу про протонно-нейтронну будову атомного ядра, яку детально розробив В. Гейзенберг. Протонно- нейтронний склад ядер підтверджується не тільки теоретичними обґрунтуваннями, але й безпосередніми дослідами по розщепленню ядер на протони і нейтрони. Отже, ядра атомів складаються з протонів і нейтронів (нуклонів).

Нуклони. Тепер загальноприйнято, що атомні ядра складаються із протонів і нейтронів, які називають нуклонами (від латинського nucleus - ядро, зерно).

Основними характеристиками атомних ядер. Які виражають їх індивідуальність, є електричний заряд, маса, спін, електричний та магнітний моменти. енергія зв ’язку та ін.

Протонно-нейтронна теорія добре узгоджується з дослідними даними. Отже, ядро - це складна квантова система. Коли кажуть про розміри ядра і взаємне розміщення нуклонів у ньому, розуміють відповідні ймовірні характеристики, які дають змогу побудувати певну модель ядра.

Найбільш ефективними засобами виявлення розміщення нуклонів в ядрі і оцінки розмірів ядра є дослідження процесів розсіяння пучків швидких нейтронів або швидких електронів.

Різними методами встановлено, що радіус ядра з достатньою точністю можна визначати за формулою

R = 1,25-10^-15A¹³м,де А - число нуклонів у ядрі.

Ядро атома є дуже ущільненою системою нуклонів, що вказує на існування значних сил притягання між ними. Про це ж свідчить виділення енергії при синтезі ядер. Разом з тим ядро має скінченний об’єм, отже, нуклони у ньому перебувають на певних скінчених відстанях один від одного. З цього випливає, що з деякої відстані сили притягання між нуклонами поступаються силам відштовхування.

Відомо, що між частинками існують гравітаційні сили притягання. Крім того, нуклонам властиві електричні заряди і магнітні моменти, тому в сфері ядра між ними мають існувати відповідні взаємодії. Між позитивно зарядженими протонами в межах ядра (на відстаням порядку 10^-15м) повинні виникати значні кулонівські сили відштовхування; якщо магнітні моменти нуклонів паралельні, вони притягуються, при антипаралельних магнітних моментах - відштовхуються.

Насправді ядерні сили притягання значно більші від сил електростатичного відштовхування протонів, а гравітаційні взаємодії, як показують підрахунки, в 10³⁶ разів менші від кулонівських і ними можна знехтувати. Результуюча ж енергія магнітної взаємодії протона і нейтрона порядку 10⁵ еВ, що значно менше за енергію зв’язку на один нуклон у ядрі. До того ж вивчення магнітних властивостей ядра показало, що магнітні моменти складових частинок ядра можуть орієнтуватися по-різному. Все це свідчить про те, що розглянуті електричні і магнітні взаємодії між нуклонами не є тими силами, які забезпечують надзвичайну стійкість ядра.

Стійкість ядра забезпечується особливими взаємодіями нуклонів, так званими ядерними силами, які приблизно в 137 разів сильніші від кулонівського відштовхування і взаємодії магнітних моментів між ними. Це новий тип взаємодій, істотно відмінний від гравітаційних та електромагнітних взаємодій.

Експериментально ядерні сили вивчаються в дослідах на розсіяння протонів на протонах, протонів на нейтронах і нейтронів на нейтронах.

Розглянемо основні характеристики ядерних сил.

Ядерні взаємодії між нуклонами дістали назву сильних взаємодій. Про надзвичайну величину цих взаємодій свідчить дуже значна енергія зв’язку, що припадає на один нуклон ядра: 7-8,5 МеВ. Для порівняння зауважимо, що сили електромагнітних взаємодій забезпечують енергію зв’язку атомів у молекулах лише в кілька електрон-вольт, а енергію зв’язку зовнішніх і середніх електронів з атомним ядром - у десятки, сотні і тисячі електрон-вольт.

1.Ядерні сили належать до короткодіючих.Дослідження взаємодій а -частинок з ядрами легких елементів показали, що відхилення від закону Кулона починають виявлятися, коли відстань між ядрами дорівнює

приблизно 2 • 10 ¹⁵ м. На менших відстанях - до 0,7 • 10 ¹⁵ м включно - проявляються ядерні сили притягання, на ще меншій відстані - відштовхування.

2.Ядерні сили не залежать від заряду нуклонів. В цьому можна переконатися при розгляді будови легких ядер. Наприклад, ядро дейтерію, що складається з протона і нейтрона, характеризується енергією зв’язку, яка дорівнює 2,23 МеВ, або в розрахунку на нуклон - 1,12 МеВ. Ядерні сили не є центральними, оскільки залежать не тільки від відстані між нуклонами, а й від взаємної орієнтації їхніх спінів. Наприклад, встановлено, що протон і нейтрон сполучаються і утворюють дейтерій тоді, коли їхні спіни взаємно паралельні.

3.Ядерним взаємодіям властиве певне насичення. Це означає, що протон або нейтрон в ядрі зазнає сильних взаємодій не з усіма нуклонами, а лише з обмеженою кількістю сусідніх нуклонів. На це вказує той факт, що,починаючи з He⁴ , енергія зв’язку на один нуклон для всіх ядер приблизнооднакова.

Електричний заряд ядра позитивний. Носієм позитивного заряду ядра є протони. Оскільки заряд протона чисельно дорівнює заряду електрона, то можна записати, що заряд ядра дорівнює Ze- e= 1,60 -10~¹⁹Кл (Z- ціле число, яке вказує на порядковий номер хімічного елементу у періодичній системі елементів Менделєєва). Число Z також виражає кількість протонів у ядрі та кількість електронів у атомі. Електричний заряд є однією з основних характеристик атомного ядра, від якої залежать оптичні, хімічні та інші фізичні властивості атомів.

Другою важливою характеристикою є маса атомного ядра. Зауважимо, що для спрощення записів і розрахунків масу ядер здебільшого виражають в атомних одиницях маси (а.о.м.) або в одиницях енергії (записуючи замість маси відповідну енергію E= mc² в електрон-вольтах)

Ізотопи. Протонно-нейтронна будова ядра наочно виявляється при вивченні ізотопів. Ізотопами називають атомні ядра, які мають однакове зарядове число Z , але різну масу A .

Дослідження показали, що в усіх випадках атомні маси ізотопів виражаються числами, дуже близькими до цілих; різниці від цілих становлять тисячні частки одиниці. Це вказує на те, що атомні ядра ізотопів всіх елементів побудовані з тих самих частинок, маса яких дуже близька до атомної одиниці. Саме такими частинками є нуклони