SGK_drive / Class 12 / 337_20200918031619_vat-li---da-ghep

H×nh 34.1

¶nh chôp mét laze b¸n dÉn

I - CÊu t¹o vµ ho¹t ®éng cña laze

1. Laze lµ g× ?

Laze lµ tõ phiªn ©m cña tiÕng Anh LASER. ThuËt ng÷ LASER ®ðîc ghÐp b»ng nh÷ng ch÷ c¸i ®øng ®Çu cña côm tõ Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation. Chóng cã nghÜa lµ : M¸y khuÕch ®¹i ¸nh s¸ng b»ng sù ph¸t x¹ c¶m øng.

Cã thÓ nãi : Laze lµ mét nguån s¸ng ph¸t ra mét chïm s¸ng cðêng ®é lín(1) dùa trªn viÖc øng dông hiÖn tðîng ph¸t x¹ c¶m øng.

Chïm bøc x¹ ph¸t ra còng ®ðîc gäi lµ chïm tia laze. Tia laze cã c¸c ®Æc ®iÓm : cã tÝnh ®¬n s¾c, tÝnh ®Þnh hðíng, tÝnh kÕt hîp rÊt cao vµ cðêng ®é lín.

Ta sÏ hiÓu râ tÊt c¶ c¸c ®Æc ®iÓm nµy khi xÐt sù ph¸t x¹ c¶m øng.

2. Sù ph¸t x¹ c¶m øng

Nguyªn t¾c ho¹t ®éng quan träng nhÊt cña laze lµ sù ph¸t x¹ c¶m øng.

N¨m 1917, khi nghiªn cøu lÝ thuyÕt ph¸t x¹, Anh-xtanh ®· chøng minh r»ng : ngoµi hiÖn tðîng ph¸t x¹ tù ph¸t, cßn cã hiÖn tðîng ph¸t x¹ mµ «ng gäi lµ ph¸t x¹ c¶m øng. HiÖn tðîng ®ã nhð sau :

NÕu mét nguyªn tö ®ang ë trong tr¹ng th¸i kÝch thÝch, s½n sµng ph¸t ra mét ph«t«n cã n¨ng lðîng ε = hf, b¾t gÆp mét ph«t«n cã n¨ng lðîng ε’ ®óng b»ng hf, bay lðít qua nã, th× lËp tøc nguyªn tö nµy còng ph¸t ra ph«t«n ε. Ph«t«n ε cã cïng n¨ng lðîng vµ bay cïng phð¬ng víi ph«t«n ε’. Ngoµi ra, sãng ®iÖn tõ øng víi ph«t«n ε hoµn toµn cïng pha vµ dao ®éng trong mét mÆt ph¼ng song song víi mÆt ph¼ng dao ®éng cña sãng ®iÖn tõ øng víi ph«t«n ε’(H.34.2).

Nhð vËy, nÕu cã mét ph«t«n ban ®Çu bay qua mét lo¹t nguyªn tö ®ang ë trong tr¹ng th¸i kÝch thÝch th× sè ph«t«n sÏ t¨ng lªn theo cÊp sè nh©n (H.34.3).

C¸c ph«t«n nµy cã cïng n¨ng lðîng (øng víi sãng ®iÖn tõ cã cïng bðíc sãng), do ®ã tÝnh ®¬n s¾c cña chïm s¸ng rÊt cao ; chóng bay theo cïng mét phð¬ng (tÝnh ®Þnh hðíng cña chïm s¸ng rÊt cao) ; tÊt c¶ c¸c sãng ®iÖn tõ trong chïm s¸ng do c¸c nguyªn tö ph¸t ra ®Òu cïng pha (tÝnh kÕt hîp cña chïm s¸ng rÊt cao). Ngoµi ra, v× sè ph«t«n bay theo cïng mét hðíng rÊt lín nªn cðêng ®é cña chïm s¸ng rÊt lín.

C1

3. CÊu t¹o cña laze

Ngðêi ta ®· chÕ t¹o ®ðîc c¸c lo¹i laze sau : laze khÝ, laze r¾n vµ laze b¸n dÉn.

Dðíi ®©y, ta xÐt cÊu t¹o cña mét laze r¾n : laze rubi. Rubi (hång ngäc) lµ Al2O3 cã pha Cr2O3. ¸nh s¸ng ®á cña hång ngäc do ion cr«m ph¸t ra khi chuyÓn tõ tr¹ng th¸i kÝch thÝch vÒ tr¹ng th¸i c¬ b¶n. §ã còng lµ mµu cña tia laze.

Laze rubi gåm mét thanh rubi h×nh trô (A) (H.34.4). Hai mÆt ®ðîc mµi nh½n, vu«ng gãc víi trôc cña thanh. MÆt (1) ®ðîc m¹ b¹c trë thµnh mét gð¬ng ph¼ng (G1) cã mÆt ph¶n x¹ quay vµo phÝa trong. MÆt (2) lµ mÆt b¸n m¹, tøc lµ m¹ mét líp rÊt máng ®Ó cho kho¶ng 50% cðêng ®é cña chïm s¸ng chiÕu tíi bÞ ph¶n x¹, cßn kho¶ng 50% truyÒn qua.

H×nh 34.2

H×nh 34.3

C1 H·y m« t¶ cô thÓ qu¸ tr×nh nh©n ph«t«n vÏ trªn H×nh 34.3.

H×nh 34.4

Laze rubi

ViÖc sö dông hiÖn tðîng ph¸t x¹ c¶m øng lµ nguyªn t¾c ho¹t ®éng quan träng nhÊt cña laze. Ngoµi ra, cßn nh÷ng nguyªn t¾c ho¹t ®éng quan träng kh¸c mµ ta chØ liÖt kª dðíi ®©y :

—Ph¶i lµm sao cho sè nguyªn tö ë tr¹ng th¸i kÝch thÝch nhiÒu h¬n h¼n sè nguyªn tö ë tr¹ng th¸i c¬ b¶n. Nãi kh¸c ®i, ph¶i t¹o ra sù ®¶o lén mËt ®é gi÷a tr¹ng th¸i kÝch thÝch vµ tr¹ng th¸i c¬ b¶n. Cã nhð thÕ th× c¸c ph«t«n truyÒn qua m«i trðêng míi kh«ng bÞ hÊp thô hÕt. M«i trðêng trong ®ã cã sù ®¶o lén mËt ®é lµ m«i trðêng ho¹t tÝnh.

—Ph¶i cho ¸nh s¸ng truyÒn qua, l¹i m«i trðêng ho¹t tÝnh nhiÒu lÇn mµ nh÷ng sãng ¸nh s¸ng nµy l¹i kh«ng triÖt tiªu lÉn nhau, nghÜa lµ cã sãng dõng thµnh lËp gi÷a hai gð¬ng.

—NÕu dïng mét ®Ìn ®Ó kÝch thÝch c¸c nguyªn tö th× c«ng suÊt cña ®Ìn ph¶i ®ñ lín míi ®¶m b¶o ®ðîc sù ®¶o lén mËt ®é. C«ng suÊt tèi thiÓu cña ®Ìn nµy gäi lµ ngðìng ph¸t.

H×nh 34.5

Laze khÝ

MÆt nµy trë thµnh mét gð¬ng ph¼ng (G2) cã mÆt ph¶n x¹ quay vÒ phÝa G1. Hai gð¬ng G1 vµ G2 song song víi nhau.

Dïng mét ®Ìn phãng ®iÖn xenon ®Ó chiÕu s¸ng rÊt m¹nh thanh rubi vµ ®ða mét sè lín ion cr«m lªn tr¹ng th¸i kÝch thÝch. NÕu cã mét ion cr«m bøc x¹ theo phð¬ng vu«ng gãc víi hai gð¬ng th× ¸nh s¸ng sÏ ph¶n x¹ ®i l¹i nhiÒu lÇn gi÷a hai gð¬ng vµ sÏ lµm cho mét lo¹t ion cr«m ph¸t x¹ c¶m øng. ¸nh s¸ng sÏ ®ðîc khuÕch ®¹i lªn nhiÒu lÇn. Chïm tia laze ®ðîc lÊy ra tõ gð¬ng b¸n m¹ G2.

II - mét vµi øng dông cña laze

Laze ®ðîc øng dông réng r·i trong rÊt nhiÒu lÜnh vùc :

−Trong y häc, lîi dông kh¶ n¨ng cã thÓ tËp trung n¨ng lðîng cña chïm tia laze vµo mét vïng rÊt nhá, ngðêi ta ®· dïng tia laze nhð mét dao mæ trong c¸c phÉu thuËt tinh vi nhð m¾t, m¹ch m¸u,... Ngoµi ra, ngðêi ta còng sö dông t¸c dông nhiÖt cña tia laze ®Ó ch÷a mét sè bÖnh nhð c¸c bÖnh ngoµi da...

−Trong th«ng tin liªn l¹c, do cã tÝnh ®Þnh hðíng vµ tÇn sè rÊt cao nªn tia laze cã ðu thÕ ®Æc biÖt trong liªn l¹c v« tuyÕn (v« tuyÕn ®Þnh vÞ, liªn l¹c vÖ tinh, ®iÒu khiÓn c¸c con tµu vò trô,...). Do cã tÝnh kÕt hîp vµ cðêng ®é cao nªn c¸c tia laze ®ðîc sö dông rÊt tèt trong viÖc truyÒn tin b»ng c¸p quang.

−Trong c«ng nghiÖp, v× tia laze cã cðêng ®é lín vµ tÝnh ®Þnh hðíng cao nªn nã ®ðîc dïng trong c¸c c«ng viÖc nhð c¾t, khoan, t«i,... chÝnh x¸c trªn nhiÒu chÊt liÖu nhð kim lo¹i, comp«zit,... Ngðêi ta cã thÓ khoan ®ðîc nh÷ng lç cã ®ðêng kÝnh rÊt nhá vµ rÊt s©u mµ kh«ng thÓ thùc hiÖn ®ðîc b»ng c¸c phð¬ng ph¸p c¬ häc.

−Trong tr¾c ®Þa, laze ®ðîc dïng trong c¸c c«ng viÖc nhð ®o kho¶ng c¸ch, tam gi¸c ®¹c, ng¾m ®ðêng th¼ng,...

1.Cèt lâi cña thuyÕt lðîng tö ¸nh s¸ng lµ gi¶ thuyÕt Pl¨ng vµ kh¸i niÖm vÒ lðîng tö n¨ng lðîng.

2.¸p dông thuyÕt lðîng tö cho c¸c qu¸ tr×nh tð¬ng t¸c cña ¸nh s¸ng víi c¸c nguyªn tö, Anh-xtanh ®Ò ra thuyÕt lðîng tö ¸nh s¸ng.

3.Dïng thuyÕt lðîng tö ¸nh s¸ng cã thÓ gi¶i thÝch ®ðîc mét lo¹t hiÖn tðîng quang häc :

−HiÖn tðîng quang ®iÖn.

−HiÖn tðîng quang ®iÖn trong.

−HiÖn tðîng quang − ph¸t quang.

4.HiÖn tðîng quang ®iÖn trong ®· ®ðîc ¸p dông trong pin quang ®iÖn.

5.MÉu nguyªn tö Bo lµ sù phèi hîp mÉu nguyªn tö R¬-d¬-pho víi hai tiªn ®Ò cña Bo vÒ c¸c tr¹ng th¸i dõng, c¸c quü ®¹o dõng vµ vÒ sù hÊp thô vµ bøc x¹ n¨ng lðîng cña nguyªn tö.

6.Laze lµ m¸y khuÕch ®¹i ¸nh s¸ng dùa vµo sù ph¸t x¹ c¶m øng. Chïm s¸ng do laze ph¸t ra cã tÝnh ®¬n s¾c, tÝnh ®Þnh hðíng, tÝnh kÕt hîp rÊt cao vµ cðêng ®é lín.

C1 NÕu tðëng tðîng kÝch thðíc nguyªn tö to nhð mét c¨n phßng kÝch thðíc (10 x 10 x 10) m th× h¹t nh©n cã thÓ so s¸nh víi vËt nµo ?

1. Theo m« h×nh nguyªn tö R¬-d¬-pho : H¹t nh©n tÝch ®iÖn dð¬ng b»ng +Ze (Z lµ sè thø tù cña nguyªn tè trong b¶ng tuÇn hoµn), kÝch thðíc cña h¹t nh©n rÊt nhá, nhá h¬n kÝch thðíc nguyªn tö kho¶ng 104 105 lÇn.

C1

Ghi chó : CÊu t¹o cña h¹t nh©n tr×nh bµy ë ®©y thðêng ®ðîc gäi lµ m« h×nh I-va-nen-c« − Hai-xen-bÐc.

2. CÊu t¹o h¹t nh©n

H¹t nh©n ®ðîc t¹o thµnh bëi hai lo¹i h¹t lµ pr«t«n vµ n¬tron ; hai lo¹i h¹t nµy cã tªn chung lµ nucl«n.

KÕt qu¶ tÝnh ®ðîc :

1 u ≈ 931,5 MeV/c2

Tõ ®ã ta thÊy :

MeV/c2 còng ®ðîc coi lµ mét ®¬n vÞ ®o khèi lðîng h¹t nh©n.

C2

Chó ý : Còng theo thuyÕt tð¬ng ®èi, mét vËt cã khèi lðîng m0 khi ë tr¹ng th¸i nghØ th× khi chuyÓn ®éng víi tèc ®é v, khèi lðîng sÏ t¨ng lªn thµnh m víi

m = m0

1−v2 c2

trong ®ã m0 ®ðîc gäi lµ khèi lðîng nghØ vµ m gäi lµ khèi lðîng ®éng. Gi¸ trÞ khèi lðîng cña c¸c h¹t cho trong bµi nãi chung ®Òu lµ khèi lðîng nghØ.

Nhð vËy khi mét vËt cã khèi lðîng nghØ m0 chuyÓn ®éng víi

c2

n¨ng lðîng cña vËt (gäi lµ n¨ng lðîng toµn phÇn) cho bëi c«ng thøc :

E = mc2 = m0c2 .

1−v2 c2

N¨ng lðîng E0 = m0c2 ®ðîc gäi lµ n¨ng lðîng nghØ vµ hiÖu E − E0 = (m − m0)c2 chÝnh lµ ®éng n¨ng cña vËt, thðêng kÝ hiÖu lµ W® = E − E0 = (m − m0)c2.

C2 TÝnh 1 MeV/c2 ra ®¬n vÞ kil«gam.