FIZIKA_MU_k_LB_atomnaya_fizika

утворює стоячу хвилю, яка виконує індукуючу дію. Частина індукованого випромінювання виходить назовні через напівпрозоре дзеркало.

Інтенсивності випромінювання I 21СП , I 21* і поглинання I12* одиниці об’єму збудженого середовища можуть бути розраховані за формулами:

де A21 , B21 , B12 - коефіцієнти Ейнштейна, які визначають ймовірність спо-

нтанного випромінювання, вимушеного випромінювання і вимушеного поглинання відповідно;

N1 , N2 - густина частинок у станах з енергіями E1 , E2 ;

Uv - густина енергії випромінювання на частоті переходу.

Щоб отримати потужне індуковане випромінювання необхідно створити інверсну заселеність рівнів ( N2 > N1 ) і забезпечити в середовищі високу густину енергії U v на частоті ν , що відповідає переходу між цими рівнями. Висока об’ємна густина енергії випромінювання досягається розташуванням активного середовища в резонаторі.

Розглянемо процес створення активного середовища на прикладі гелійнеонового лазера (суміш гелію і неону з співвідношенням концентрацій 10:1 і тиском близько 1мм рт.ст.). Енергетичні рівні незбуджених атомів гелію і неону (1S - стан) практично однакові. Атоми гелію мають два близьких за енергіями підрівні 2S (рис.5.1). Перехід 1S → 2S відбувається за рахунок непружних співударянь частинок в газовому розряді (фотонний перехід 2S →1S заборонено правилом добору). При зіткненнях в газовому розряді енергія від атомів гелію переходить до атомів неону, частина яких опиняється в стані 4S, а

31

1S

Рисунок 5.1

гелію і неону (1S - стан) практично однакові. Атоми гелію мають два близьких за енергіями підрівні 2S (рис.5.1). Перехід 1S → 2S відбувається за рахунок непружних співударянь частинок в газовому розряді (фотонний перехід 2S →1S заборонено правилом добору). При зіткненнях в газовому розряді енергія від атомів гелію переходить до атомів неону, частина яких опиняється в стані 4S, а частина в стані 5S. Час життя атомів неону на рівнях 4S і 5S на два порядки більше, ніж на рівнях 3Р, внаслідок чого в газовому розряді, при безперервній підкачці енергії, створюється інверсна заселеність рівнів неону 4S і 5S по від-

ношенню до 3Р. Перехід 5S → 3P призводить до утворення індукованого червоного світла ( λ = 0,6328 мкм), а перехід 3P →3S відіграє роль очисника рівнів

де B = B21 = B12 , N = N2 − N1 .

З формули (5.4) видно, що інтенсивність лазерного випромінювання про-

порційна U v і N .

5.3 Опис лабораторної установки

32

Обладнання: газовий ОКГ з регульованим блоком живлення, монохроматор, аналізатор, екран, таблиці спектральних ліній.

Схема лабораторного макета наведена на рис. 5.2. Активне середовище (газ під низьким тиском) знаходиться в скляній трубці, закритій з торців вікнами, встановленими під кутом Брюстера. До двох електродів підводиться високовольтна напруга. Під її дією в газі відбувається електричний розряд, що збуджує атоми газу. Трубка з газом розташована між дзеркалами високодобротного відкритого резонатора (рис. 5.2). Одне з дзеркал резонатора напівпрозоре і через нього виходить випромінювання. Потенціометром RP можна змінювати, а приладом PA1 вимірювати силу струму розряду і, тим самим, регулювати інтенсивність накачки та інверсну населеність рівнів. Фотодіод VD разом з цифровим мікроамперметром PA2 дозволяє реєструвати зміну інтенсивності вимушеного випромінювання. За допомогою монохроматора M можна спостерігати спектр випромінювання активного середовища ОКГ, знайти в ньому лінію вимушеного випромінювання і визначити довжини хвиль. Таблиці спектральних ліній або зразкові спектри атомів знаходяться на робочому місці.

ОКГ

Рисунок 5.2 Поляризація вимушеного випромінювання визначається за допомогою

аналізатора A і приймача променевої енергії VD. Шкала, нанесена на обойму аналізатора, дозволяє вимірювати кути повороту аналізатора навколо осі. Екран E дозволяє визначати кут розходження вимушеного випромінювання.

33

Порівнюючи лінії випромінювання активного середовища з еталонною спектрограмою різних атомів, що знаходиться на монохроматорі, визначте склад активного середовища.

5.4.3 Визначення поляризації вимушеного випромінювання

Між ОКГ і приймачем випромінювання VD розташуйте оптичний аналізатор A. Повертаючи аналізатор навколо осі на 3600, виміряйте інтенсивність ви-

промінювання, що пройшло крізь аналізатор, при різних кутах повороту IB (ϕ) .

Результати занесить у таблицю 5.2.

Таблиця 5.2 – Залежність інтенсивності випромінювання від кута повороту аналізатора

Побудуйте графік одержаної залежності і перевірте, чи виконується закон Малюса. Якщо закон Малюса не виконується, підрахуйте ступінь полярізації за формулою

де I max і Imin - максимальна і мінімальна інтенсивність випромінюван-

ня.

5.4.4 Визначення кута розходження випромінювання ОКГ Виміряйте радіуси променя ОКГ на різних відстанях від нього. За форму-

лою

35

θ = arctg r2 − r1 l2 −l1

обчисліть кут розходження лазерного випромінювання. У формулі r1 і r2 - радіу-

си плям випромінювання на екрані, встановленому на відстанях l1 і l2 від ОКГ.

5.5 Зміст звіту

Результати вимірювань подайте у вигляді графіка залежності інтенсивності випромінювання від кута повороту аналізатора. Наведіть дані ступеня поляризації та кута розходження лазерного випромінювання.

Контрольні запитання та завдання

1.У чому суть вимушеного випромінювання?

2.Що таке принцип детальної рівноваги?

3.У чому полягає фізичний зміст коефіцієнтів Ейнштейна?

4.Що таке інверсна заселеність енергетичних рівнів?

5.Як в ОКГ отримується інверсна заселеність рівнів?

6.Що таке від’ємна абсолютна температура?

7.Які умови потрібні для отримання інтенсивного вимушеного випромінювання?

8.Назвіть основні елементи ОКГ.

9.Який принцип будови та роботи лазера?

10.Які властивості має випромінювання лазера? Що таке когерент-

ність?

11.Які прямі вимірювання потрібно провести в роботі?

12.Сформулюйте закон Малюса.

36

6 ДОСЛІДЖЕННЯ ПОГЛИНАННЯ γ - ФОТОНІВ РЕЧОВИНОЮ

6.1 Мета роботи Вивчення законів поглинання γ -фотонів речовинами. Визначення ліній-

ного коефіцієнта поглинання γ -випромінювання, оцінка середньої енергії γ -

фотонів.

6.2 Вказівки з організації самостійної роботи

Перед виконанням лабораторної роботи слід ознайомитись з основними типами радіоактивних процесів, вивчити закон радіоактивного розпаду [1, c.243-250]. Зверніть увагу на те, що γ-випромінювання супроводжує різні типи радіоактивного розпаду. Вивчіть основні фізичні величини, які характеризують дію іонізуючих випромінювань [2, c.539-540].

γ-випромінювання - жорстке електромагнітне випромінювання, яке ви-

никає при переході атомного ядра із збудженого стану до основного чи нижчого енергетичного стану в α - та β - розпаді ядер, при гальмуванні електронів високої енергії в речовині, у випадку анігіляції електрон-позитронних пар, а також в ядерних реакціях та інших процесах. Енергія γ-фотонів, які виникають в

радіоактивному розпаді ядер змінюється від 104 до 5 105 еВ. Довжина хвилі γ-фотонів λ < 0,01нм.

Якщо вузький паралельний пучок γ-квантів падає на поверхню речови-

ни, то потік частинок n (число частинок, що проходять через поверхню за оди-

де n0 –потік фотонів, які падають на поверхню речовини, x-товшина шару речовини, що поглинає фотони, μ-лінійний коефіцієнт поглинання речовини.

37

треба врахувати природний радіоактивний фон. Тоді із (6.1) одержимо (врахо-

вуючи, що n = Nt )

На рис. 6.1. відображена залежність коефіцієнтів лінійного поглинання μ від енергії γ -квантів E для алюмінію Al , заліза Fe та свинцю Pb.

μ, м−1

Pb

60

40

Fe

20

Al

Рисунок 6.1

Гамма-фотони, що мають значну проникну здатність, іонізують речовину. При опроміненні зарядженими частинками іонізується лише тонкий поверхневий шар речовини, а γ -випромінювання викликає іонізацію речовин значної товщини. Дію γ -випромінювання та інших типів іонізуючих випромінювань оцінюють за дозою випромінювання D, що дорівнює відношенню енергії випромінювання до маси опромінюваної речовини. Одиницею дози випроміню-

вання є 1Дж/ кг . Ця одиниця називається грей: 1Гр =1Дж/ кг . Потужністю N

дози випромінювання називається величина

N = Dt .

39

Енергетичною характеристикою випромінювання є експозиційна доза випромінювання.

De – величина, яка дорівнює сумарному заряду іонів одного знаку, які виникли в сухому атмосферному повітрі на одиницю маси опроміненого повіт-

ря. De вимірюється в кулонах на кілограм. Несистемною одиницею вимірю-

вання експозиційної дози є рентген; 1P ≈ 2,58 10−4 кл/ кг .

Потужність експозиційної дози Ne = De / t , вимірюється в амперах на кілограм. Несистемною одиницею є рентген за годину (1Р/год).

6.3 Опис лабораторної установки

Обладнання: радіоактивний препарат, набори речовин, які поглинають випромінювання, лічильник Гейгера-Мюллера, радіометр ПП-12. Схема лабораторної установки наведена на рис. 6.2, де 1 - лічильник числа електричних імпульсів (радіометр), 2 - лічильник Гейгера-Мюллера, 3 – обойма для поглинаючих пластин, 4 – контейнер з радіоактивною речовиною.

40