43. Принцип Паули. Периодическая система Менделеева.

Состояние в квантовой механике описывается 4-мя квантовыми числами (см. предыдущий пункт). Если атомы находятся в невозбужденном состоянии, то казалось бы, что все они должны быть сосредоточены в состоянии 1S (n=1, L=0, m=0, S=1/2). Опыт показывает, что это не так. Согласно одному из основных законов квантовой механики – принципу Паули – в одном и том же атоме не может быть 2-х электронов, обладающих одинаковой совокупностью квантовых 4-х чисел или в одном и том же состоянии одновременно не могут находится 2 электрона. Число электронов с данным значением n определяется

2Σ[L=0, n-1](2L+1)=2n2. Совокупность электронов в атоме с одинаковыми значениями n и L, образуют электронную оболочку. Совокупность электронных оболочек

с одинаковым значением n,

образуют группу или слой.

Слоям дают следующие наименования: (см. рисунок). Как происходит заполнение электронами периодической таблицы Менделеева? Одной из своих задач физика видела объяснение закона периодической системы Менделеева. Рассмотрим заполнение электронами первых двух периодов таблицы Менделеева, начиная с простейшего атома водорода. Каждый последующий элемент будем получать из предыдущего, увеличивая заряд на 1 и добавляя 1 электрон, который будет в месте с минимальной энергией.

H (n=1, L=0, m=0, S=1/2) 1S, He (n=1, L=0, m=0, S=1/2, n=1, L=0, m=0, S=

= - ½) 1S2. На атоме гелия заканчивается постройка k-слоя. У лития – 3-й электрон заполняет S-оболочку слоя лития. Третий электрон у лития слабее связан с ядром. Именно он отвечает за оптические, химические и электрические свойства и называется оптическим (валентным) электроном.

Ne – 1S2 2S2 2P6. У неона, также как и у атома гелия, внешняя электронная оболочка полностью замкнута – заполнена электронами. Именно этим объясняются особые свойства инертных газов. Т.о. периодическая повторяемость свойств электронов таблицы Менделеева объясняется периодической повторяемостью электронных конфигураций внешних электронных оболочек. Периодическая таблица элементов строится 3-х основных положениях: 1) заряд ядра атома совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева. Каждый последующий элемент получается из предыдущего увеличением заряда ядра на 1 и добавлением одного элетрона. 2) С увеличением числа электронов в атоме каждый последующий электрон занимает доступное ему место с минимумом потенциальной энергии. 3) Распределение электронов по состояниям должно соответствовать принципу Пауля.

44. Спонтанное и вынужденное излучения. Лазеры.

Как отмечалось выше, атомы могут находиться лишь в квантовых состояниях с дискретными значениями энергии Е1, Е2, Е3, ... Ради простоты рассмотрим только два из этих состояний (1 и 2) с энергиями Е1 и Е2. Если атом находится в основном состоянии 1, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние 2 (рис. 309, а), приводящий к поглощению излучения. Вероятность подобных переходов пропорциональна плотности излучения, вызывающего эти переходы.

Атом, находясь в возбужденном состоянии 2, может через некоторый промежуток времени спонтанно, без каких-либо внешних воздействий, перейти в состояние с низшей энергией (в нашем случае в основное), отдавая избыточную энергию в виде электромагнитного излучения (испуская фотон с энергией hn=E2–Е1). Процесс испускания фотона возбужденным атомом (возбужденной микросистемой) без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением (рис. 309, б). Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение некогерентно.

Лазер – оптический квантовый генератор, абривиатура слов английской фразы: Light Ampflication by Stimulated Emission of Radiation, что переводится как «усиление света вынужденным излучением». Лазер – устройство, преобразующее различные виды энергии – электрическую, световую, химическую, ядерную и т. д. в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона.

Идея принципиально нового усиления и генерации электромагнитного излучения, применяемая в лазерах, принадлежит российским ученым Н.Г. Басову и А.М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу, которые были удостоены Нобелевской премии 1964 г.

Любой лазер, работающий как генератор, состоит из трех основных элементов:

1)  активной среды, в которой создаются состояния с инверсией населенностей;

2)  системы накачки – устройства для создания инверсии в активной среде;

3)  оптического резонатора – устройства, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок.

Рассмотрим принципиальную схему работы лазера (рис. 8.13). На рис. 1 – активная среда; 2 и 3 – сплошное и полупрозрачные сферические зеркала. Любой фотон, возникший в активной среде за счет спонтанного испускания возбужденных атомов, может вызвать индуцированное излучение фотонов, возбужденных накачкой среды. Фотон, движущийся параллельно оси зеркал рождает лавину фотонов, движущихся в том же направлении (а). Часть этой лавины частично проходит через зеркало 3 наружу (б), а часть отразится от зеркала 2, и будет нарастать в активной среде. Когда лавина фотонов дойдет до зеркала 2 (в), она частично поглотится, но после отражения будет двигаться так же, как и первоначальный фотон. Таким образом, с помощью зеркал в лазере реализуется обратная положительная связь. Поток фотонов, многократно усиленный и вышедший из генератора сквозь полупрозрачное зеркало, создает строго направленный пучок лучей света огромной яркости.