39.Инверсная населенность. Отрицательное поглощение света. Лазеры и мазеры.

Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденных состояниях было бы больше, чем их число в основном состоянии. Такие состояния называются состояниями с инверсией населенностей. Процесс создания неравновесного состояния вещества (перевод системы в состояние с инверсией населенностей) называется накачкой. Накачку можно осуществить оптическими, электрическими и другими способами. В средах с инверсными состоящими вынужденное излучение может превысить поглощение, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через эти среды будет усиливаться.

Поглощение-если свет (фотоны с частотой ν21) проходит через группу атомов, существует вероятность, что свет будет поглощѐн атомом, находящимся в основном состоянии, что вызовет его переход к возбуждѐнному состоянию. Вероятность поглощения пропорциональна интенсивности света, а также количеству атомов N1, находящихся в основном состоянии. Практически инверсное состояние среды осуществлено в принципиально новых источниках излучения — оптических квантовых генераторах, или лазерах. Лазеры генерируют в видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях (в оптическом диапазоне). Идея качественно нового принципа усиления и генерации электромагнитных волн, примененная в мазерах (генераторы и усилители, работающие в сантиметровом диапазоне радиоволн) и лазерах, принадлежит российским ученым Н. Г. Басову и А. М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу, удостоенным Нобелевской премии 1964 г.

40.Устройство лазера. Рубиновый лазер, гелий–неонный лазер. Свойства лазерного излучения.

Лазер — устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного (стимулированного) излучения для создания когерентного потока света. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей.

Первым твердотельным лазером (1960; США), работающим в видимой области спектра (длина волны излучения 0,6943 мкм), был рубиновый лазер (Т. Мейман (р. 1927)). Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия Аl2О3, в кристаллической решетке которого некоторые из атомов Аl замещены трехвалентными ионами Cr3+ (0,03 и 0,05% ионов хрома соответственно для розового и красного рубина). Для оптической накачки используется импульсная газоразрядная лампа. При интенсивном облучении рубина светом мощной импульсной лампы атомы хрома переходят с нижнего уровня 1 на уровни широкой полосы 3 Первым газовым лазером непрерывного действия (1961) был лазер на смеси атомов неона и гелия. В гелий-неоновом лазере накачка происходит в два этапа: гелий служит носителем энергии возбуждения, а неон дает лазерное излучение. Электроны, образующиеся в разряде, при столкновениях возбуждают атомы гелия, которые переходят в возбуж-денное состояние 3. При столкновениях возбужденных атомов гелия с атомами неона происходит их возбуждение и они переходят на один из верхних уровней неона, который расположен вблизи соответствующего уровня гелия. Переход атома неона с верхнего уровня 3 на один из нижних уровней 2 приводит к лазерному излучению с =0,6328 мкм. Лазерное излучение обладает следующими свойствами:

1. Временная и пространственная когерентность.Время когерентности составляет 10–3 с, что соответствует длине когерентности порядка 105 м (lког = ског), т. е. на семь порядков выше, чем для обычных источников света.

2. Строгая монохроматичность (<10–11 м).

3. Большая плотность потока энергии. Если, например, рубиновый стержень при накачке получил энергию W=20 Дж и высветился за 10–3 с, то поток излучения Фе=20/10–3 Дж/с=2104 Вт. Фокусируя это излучение на площади 1 мм2, получим плотность потока энергии Фе/S = 2104/10–6 Вт/м2 = 21010 Вт/м2.

4. Очень малое угловое расхождение в пучке. Например, при использовании специальной фокусировки луч лазера, направленный с Земли, дал бы на поверхности Луны световое пятно диаметром примерно 3 км (луч прожектора осветил бы поверхность диаметром примерно 40 000 км).

41. Голография Способ записи голограммы.Голография (от греч. holos - весь, полный и ...графия), метод получения объѐмного изображения объекта, основанный на интерференции волн. Идея голографии была впервые высказана Д. Габором (Великобритания, 1948), однако техническая реализация метода оказалась чрезвычайно сложной и голография не получила распространения. Только с появлением лазеров открылись многочисленные и разнообразные возможности практического использования голографии в радиоэлектронике, оптике, физике и различных областях техники.Способы записи голограммы.Запись голограммы может осуществляться как аналоговым, так и цифровым методом.Аналоговый метод предусматривает два способа регистрации: во встречных и попутных пучках. Это означает, что объектный и референтный свет падает либо с одной стороны фотопластины, либо с разных. Отличительной чертой голограмм, записанных в попутных пучках, является наличие "радужного" эффекта, т.е.она меняет цвет при повороте относительно источника света.Цифровой метод позволяет синтезировать голографические изображения, не имея в наличии реально существующего объекта, как в случае аналогового метода. Голограмма рассчитывается на компьютере и записывается последовательно по пикселам. Пиксел содержит элементарную голограмму и только набор этих пиксел создает целое голографическое изображение.

42. Волоконно-оптическая связь.

Волоконно-оптическая линия передачи (ВОЛП) — волоконно-оптическая система, состоящая из пассивных и активных элементов, предназначенная для передачи информации в оптическом (как правило — ближнем инфракрасном) диапазоне.Активные компоненты:Мультиплексор/Демультиплексор — широкий класс устройств, предназначенных для объединения и разделения информационных каналов. Регенератор — устройство, осуществляющее восстановление формы оптического импульса, который, распространяясь по волокну, претерпевает искажения. Усилитель — устройство, усиливающее мощность сигнала. Лазер — источник монохромного когерентного оптического излучения. Модулятор — устройство, модулирующее оптическую несущую по закону информационного электрического сигнала.Фотоприѐмник (фотодиод) — устройство, осуществляющее опто-электронное преобразование сигнала.Пассивные компоненты:Оптический кабель, светонесущими элементами которого являются оптические волокна. Оптическая муфта — устройство, используемое для соединения двух и более оптических кабелей.Оптический кросс — устройство, предназначенное для оконечивания оптического кабеля и подключения к нему активного оборудования.Преимущества ВОЛП:Волоконно-оптические линии обладают рядом преимуществ перед проводными (медными) и радиорелейными системами связи:-Малое затухание сигнала (0,22 дБ/км в третьем окне прозрачности) позволяет передавать информацию на значительно большее расстояние без использования усилителей..-Высокая пропускная способность оптического волокна.-Высокая надѐжность оптической среды.-Информационная безопасность — информация по оптическому волокну передаѐтся «из точки в точку». -защищѐнность от межволоконных влияний.Недостатки ВОЛП:-Относительная хрупкость оптического волокна.-Относительная дороговизна оптического оконечного оборудования.

43. Принцип инвариантности и законы сохранения.Принцип инвариантности скорости света следует из принципа относительности (гласящего, что все физические законы инвариантны относительно выбора инерциальной системы отсчёта) и является воплощением лоренц-инвариантности электродинамики. Более общо можно говорить, что максимальная скорость распространения взаимодействия (сигнала), называемая скоростью света, должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчёта.Законы сохранения — фундаментальные физические законы, согласно которым при определённых условиях некоторые измеримые физические величины, характеризующие замкнутую физическую систему, не изменяются с течением времени.Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) системы сохраняется во времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. Закон сохранения энергии встречается в различных разделах физики и проявляется в сохранении различных видов энергии. Например, в термодинамике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики.Закон сохранения импульса утверждает, что сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.Закон сохранения момента импульса (закон сохранения углового момента) — векторная сумма всех моментов импульса относительно любой оси для замкнутой системы остается постоянной в случае равновесия системы. В соответствии с этим, момент импульса замкнутой системы относительно любой неподвижной точки не изменяется со временем.Закон сохранения массы — исторический закон физики, согласно которому масса как мера количества вещества сохраняется при всех природных процессах, то есть несотворима и неуничтожима. С точки зрения современной физики, этот закон неверен. Например, при радиоактивном распаде совокупная масса вещества уменьшается.Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

44. Строение атомного ядра. Массовое и зарядовое число. Изотопы и изобары. Модели ядра.Ядро представляет собой центральную часть атома. В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10–15–10–14 м. Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром.Зарядовое число атомного ядра — количество протонов в атомном ядре. Зарядовое число равно заряду ядра в единицах элементарного заряда и одновременно равно порядковому номеру соответствующего ядру химического элемента в таблице Менделеева. Зарядовое число обычно обозначается буквой Z. Ядра с одинаковым зарядовым числом, но различным массовым числом A (которое равно сумме числа протонов Z и числа нейтронов N) являются различными изотопами одного и того же химического элемента, поскольку именно заряд ядра определяет структуру электронной оболочки атома и, следовательно, его химические свойства.Массовое число атомного ядра — суммарное количество протонов и нейтронов (называемых общим термином «нуклоны») в ядре. Обычно обозначается буквой A. Массовое число близко к атомной массе изотопа, выраженной в атомных единицах массы, но совпадает с ней только для углерода-12, поскольку атомная единица массы (а.е.м.) определяется сейчас как 1/12 массы атома 12С. Во всех остальных случаях атомная масса не является целым числом, в отличие от массового числа. Массовое число в обозначении конкретного изотопа пишется верхним левым индексом, например 232Th. Изотопы с одинаковым массовым числом называются изобарами.Изотопы и изобары.В 1910 г. английский ученый Содди установил существование атомов одного и того же элемента с разными массами и радиоактивными свойствами. Это привело к открытию изотопов. Атомы элемента, имеющие один и тот же заряд ядра, но разные массы, называются изотопами. В настоящее время известны изотопы почти всех элементов. Например, водород имеет три изотопа: 1H1 - протий. 1H2 -дейтерий и 1H3 - тритий. Дейтерий от протия отличается тем, что в ядре его атома, кроме протона, имеется один нейтрон. У трития в ядре атома один протон и два нейтрона. Массы атомов элементов в таблице Менделеева - средние значения масс атомов изотопов, поэтому они не выражаются целыми числами. Существуют такие изотопы, у которых заряды разные, но одинаковые массы атомов. Атомы различных элементов с одинаковыми массами называются изобарами.Ядерные модели – упрощенные теоретические описания атомных ядер, основанные на представлении ядра в виде объекта с заранее известными характерными свойствами. Необходимость использования ядерных моделей связана с тем, что последовательной (точной, строгой) теории атомного ядра не существует. Это обусловлено тем, что ядро - система достаточно большого (десятки–сотни) числа частиц (нуклонов), расположенных близко друг к другу и сильно взаимодействующих. Использование моделей позволяет достичь приближѐнного понимания процессов, происходящих внутри и с участием атомных ядер. Когда прибегают к модельному описанию атомного ядра, то ядро представляют в виде некоего объекта, наделѐнного вполне определѐнными характерными свойствами, например, в виде капли заряженной жидкости (капельная модель ядра). Условно ядерные модели можно разбить на два класса – микроскопические и коллективные. В микроскопических моделях рассматривается поведение отдельных нуклонов ядра. В коллективных – учитывается согласованное поведение (движение) больших групп нуклонов. Наиболее распространенной микроскопической моделью ядра является оболочечная модель (введена в 1949 г. М. Гепперт-Майер и Й. Йенсеном), которая предполагает, что в результате взаимодействия нуклонов друг с другом в ядре формируется общее среднее поле (общая потенциальная яма), в котором нуклоны независимо (в первом приближении) заполняют орбиты с определѐнными квантовыми характеристиками, в том числе определѐнной энергией. На одной орбите может быть ограниченное число нуклонов. Орбиты с близкими энергиями группируются в оболочки. Полное заполнение нуклонами оболочек приводит к появлению особо устойчивых (магических) ядер. Подобным образом атомы благородных газов, обладающие заполненными электронными оболочками, характеризуются повышенной устойчивостью.Примером коллективной модели является ротационная модель ядра (Дж. Рейнуотер, О. Бор, Б. Моттельсон, 1950-е годы), описывающая низколежащие состояния несферических (деформированных) ядер. В этой модели низколежащие состояния возникают за счѐт вращений ядра как целого вокруг внутренней оси с различными угловыми скоростями.

45.Энергия связи ядра. Дефект массы ядра.А. Эйнштейн показал, что количество заключенной в веществе энергии непосредственно связано с его массой соотношением:Е = mc2,где Е – энергия, Дж; m – масса, кг; с – скорость света, м/с (с = 3•108 м/с).Физическая сущность этого уравнения состоит в том, что в природе нет нематериального движения. Как нет и не может быть материи без движения. Материя и движение неотделимы друг от друга. Выделение (или поглощение) энергии системой ведет к уменьшению (или увеличению) ее массы на величину Δm, называемую дефектом массы:ΔЕ = Δmc2Энергия, которую необходимо затратить для разделения ядра на свободные нуклоны (без сообщения им кинетической энергии), названа энергией связи ядра Есв.Разность между суммой масс свободных нуклонов и массой ядра называется дефектом массы атомного ядра Δmя. Энергия связи ядра Eсв, МэВ, связана с дефектом массы соотношением:Есв = 931Δmя,где Δmя – дефект массы ядра, а.е.м.; 931 – энергетический эквивалент 1 а.е.м., МэВ.Полная энергия связи ядра с атомным номером Z и массовым числом А равна:Eсв = 931*Z•mp + (A – Z)•mn – mя],где mя – масса ядра, а.е.м.; mn – масса нейтрона, а.е.м.; mp – масса протона, а.е.м.

Однако, прочность ядра определяет не полная энергия связи Есв, а энергия связи, приходящаяся на 1 нуклон данного ядра, т.е. удельная энергия связи:Еуд = Eсв/АПрочность различных ядер не одинакова. Наиболее прочными являются ядра с числом нуклонов около 60. Легкие ядра (с меньшим числом нуклонов) и тяжелые (с большим числом нуклонов) менее прочны.

46.Радиоактивность. Законы радиоактивного распада. Период полураспада.Радиоактивность, радиоактивный распад — явление спонтанного превращения атомного ядра в другое ядро или ядра. Радиоактивный распад сопровождается испусканием одной или нескольких частиц (например, электронов, нейтрино, альфа-частиц, фотонов). Радиоактивностью называют также свойство вещества, содержащего радиоактивные ядра.Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.Энергетические спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада.Закон радиоактивного распада.Фредерик Содди и Эрнест Резерфорд первыми экспериментально обнаружили, что скорость распада радиоактивного изотопа пропорциональна его количеству в текущий момент: Знак минус отражает уменьшение количества радиоактивного нуклида со временем, а коэффициент пропорциональности λ характеризует скорость его распада.Период полураспада квантово-механической системы (частицы, ядра, атома, энергетического уровня и т. д.) — время T½, в течение которого система распадается с вероятностью 1/2. Если рассматривается ансамбль независимых частиц, то в течение одного периода полураспада количество выживших частиц уменьшится в среднем в 2 раза. Термин применим только к экспоненциально распадающимся системам.Период полураспада, среднее время жизни τ и константа распада λ связаны следующими соотношениями: Поскольку ln2 = 0,693… , период полураспада примерно на 30 % короче, чем среднее время жизни.Иногда период полураспада называют также полупериодом распада.

47.Опыты Резерфорда. Сечение рассеяния альфа-частицы на ядре.

Используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд построил пушку, дававшую направленный и сфокусированный поток частиц. Пушка представляла собой свинцовый ящик с узкой прорезью, внутрь которого был помещен радиоактивный материал. Благодаря этому частицы (в данном случае альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов), испускаемые радиоактивным веществом во всех направлениях, кроме одного, поглощались свинцовым экраном, и лишь через прорезь вылетал направленный пучок альфа-частиц. Далее на пути пучка стояло еще несколько свинцовых экранов с узкими прорезями, отсекавших частицы, отклоняющиеся от строго заданного направления. В результате к мишени подлетал идеально сфокусированный пучок альфа-частиц, а сама мишень представляла собой тончайший лист золотой фольги. В нее-то и ударял альфа-луч. После столкновения с атомами фольги альфа-частицы продолжали свой путь и попадали на люминесцентный экран, установленный позади мишени, на котором при попадании на него альфа-частиц регистрировались вспышки. По ним экспериментатор мог судить, в каком количестве и насколько альфа-частицы отклоняются от направления прямолинейного движения в результате столкновений с атомами фольги.

Рассеяние частиц ядрами происходит из-за их кулоновского отталкивания. Поэтому ясно, что рассеиваться будут не только те частицы, прицельный параметр которых меньше радиуса ядра (прицельный параметр - расстояние, на котором частица пролетела бы от силового центра, если бы взаимодействие отсутствовало). Предположив, что почти вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, имеющим ничтожно малые размеры, Резерфорд получил выражение для дифференциального сечения -частиц атомными ядрами

Ds/dW = (Qe/2vp)2/(sin(j/2) )4

получившее название формулы Резерфорда. Здесь Q - заряд ядра, v, p - скорость и импульс a-частицы, j - угол рассеяния, ds - дифференциальное сечение рассеяния, имеющее размерность площади, dW - телесный угол в котором наблюдается рассеяние. В отличие от дифференциального сечения рассеяния ds величину s называют эффективным сечением, определяемым как площадь, вероятность попадания в которую равна вероятности столкновения частиц. Так, например, для упругого рассеяния жѐстких шаров s = p(r1+r2)2, где r1 и r2 - радиусы сталкивающихся шаров.