- •Ііі. Змістовий модуль 2
- •Хвильова функція та її фізичний зміст. Рівняння Шредінгера
- •Спектральні серії випромінювання атомів. Досліди Резерфорда. Постулати Бора. Квантово-механічна інтерпретація постулатів Бора. Принцип відповідностей. Досліди Франка і Герца
- •Квантові числа в атомі. Квантування енергії моменту імпульсу та проекції імпульсу. Досліди Штерна і Герлаха. Спін і магнітний момент електрона
- •Принцип Паулі. Електронні шари складних атомів
- •Спектри багатоелектронних атомів. Ефект Зеємана
- •Природа характеристичних рентгенівських променів. Закон Мозлі
- •Поняття про хімічний зв’язок і валентність. Молекулярні спектри
- •Спонтанне та індуковане випромінювання. Квантові генератори (лазери), їх застосування
- •Практичне заняття 2.1 Тема: Хвилі де Бройля Приклади розв’язання задач
- •Задачі для самостійного розв’язування та домашнього завдання
- •Практичне заняття 2.2 Тема: Рівняння Шредінгера Приклади розв’язання задач
- •Задачі для самостійного розв’язування та домашнього завдання
- •Практичне заняття 2.3
- •Тема: Постулати Бора. Квантові числа в атомі.
- •Періодична система елементів д.І. Менделєєва
- •Приклади розв’язання задач
- •Задачі для самостійного розв’язування та домашнього завдання
- •Практичне заняття 2.4 Тема: Характеристичне рентгенівське випромінювання Приклади розв’язання задач
- •Задачі для самостійного розв’язування та домашнього завдання
- •Перелік компетентностей другого змістового модуля
- •Рівняння Шредінгера. Атом водню за Бором. Закон Мозлі Задачі
Спонтанне та індуковане випромінювання. Квантові генератори (лазери), їх застосування
Одним із величезних досягнень квантової теорії є створення унікальних джерел світла, які називаються оптичними квантовими генераторами, або лазерами.
Під час взаємодії випромінювання з речовиною спостерігаються такі процеси, як поглинання і розсіювання, що призводить до зменшення інтенсивності випромінювання на виході з речовини. Однак можливі процеси, коли потік випромінювання, який проходить через речовину, підсилюється. Такі процеси вперше помітив В.О.Фабрикант у 1939 році, і саме їх реалізовано у квантових генераторах. У 1964 році за створення квантових генераторів М.Г.Басов, О.М.Прохоров і американський фізик Ч. Таунс удостоєні Нобелівської премії.
Нехай атоми речовини мають тільки два енергетичні рівні 1 і 2 (рис. 2.20), енергії яких дорівнюють і.
Нехай електромагнітне випромінювання інтенсивністю проходить через цю речовину і має частоту
,
тобто його частота дорівнює одній із частот цього атома. Тоді відбувається вимушений перехід атома зі стану з енергією у стан з енергією, тобто поглинання світла, і сам фотонhv «зникає».
Далі збуджений атом може самовільно перейти зі стану у стан, випромінюючи фотон з енергієюhv. Так відбувається спонтанне випромінювання.
Спонтанне випромінювання − випромінювання, що виникає у збудженому атомі при переході в нормальний стан (стаціонарний) без впливу зовнішньої дії (факторів) (рис. 2.20).
Тепер нехай електромагнітне випромінювання інтенсивністюі тієї самої частоти проходить через ту саму речовину, атоми якої перебувають у збудженому стані з енергією(рис. 2.21). Кількість атомів у збудженому стані позначено, а кількість атомів у незбудженому стані – . Тоді фотон з енергією hv може «перевести» атом зі збудженого стану в незбуджений стан. Відбудеться випромінювання фотона з енергієюhv, який додається до падаючого фотона, а отже, інтенсивність I на виході з речовини зросте. Таке випромінювання називається вимушеним, або індукованим.
Індуковане (вимушене) випромінювання − випромінювання, що виникає у збудженому атомі при переході в нормальний стан під дією зовнішніх факторів (наприклад, під впливом світла).
Поняття спонтанне і вимушене випромінювання уперше ввів Ейнштейн у 1915 році. Він створив і теорію індукованого випромінювання, визначивши, до речі, за допомогою цієї теорії теоретичне значення сталої Планка. Процес індукованого випромінювання знайшов практичне застосування у квантових генераторах. Лазерами називаються квантові генератори, які випромінюють у видимому й інфрачервоному діапазонах. Назву утворено від перших літер виразу:
light amplification by stimulated emission of radiation – підсилення світла індукованим випромінюванням. У генераторах, які випромінюють у мікрохвильовому діапазоні, літеру l (light – світло) замінено на m. Це так звані мазери.
Отже, для того, щоб відбувалося вимушене випромінювання, необхідно перевести речовину в інверсний стан.
Заселеність атомами рівня 2 має бути більшою, ніж заселеність рівня 1, тобто . Такий стан речовини називаєтьсяінверсним станом (рис. 2.20).
Лазерному випромінюванню притаманні такі характерні особливості:
• когерентність;
• високий ступінь монохроматичності – ;
• поляризованість, якщо поставити дзеркало під кутом Брюстера;
• потужність сягає десятків і сотень мільйонів ват;
• ідеально паралельний пучок когерентних променів за допомогою звичайних лінз можна сфокусувати так, що діаметр його перерізу становитиме 0,001 см;
• інтенсивність потоку досягає ;
• амплітуда електричного поля світлової хвилі – до . Це поле має більшу напруженість, ніж те, яке зв'язує в атомах і молекулах зовнішні електрони. Тому воно руйнує будь-які речовини;
• світловий тиск, який дуже важко виміряти у звичайному випромінюванні, у сфокусованого лазерного випромінювання сягає мільйона атмосфер;
• розбіжність пучка дуже мала. Якщо вона дорівнює 2", випущений із Землі промінь освітить на Місяці площину діаметром близько 5 км.
Ці особливості лазерного випромінювання зумовили сфери його застосування. Назвемо деякі з них. Із теорії дифракції світла випливає ідея запису об'ємного (на відміну від фотографії — плоского зображення) зображення предметів – так званих голограм. Але існуючі лампи та природні джерела світла не відповідають вимогам високого ступеня когерентності випромінювання. Лише створення лазерів дало змогу втілити в життя цю ідею – з'явилася голографія. Нині вже окрім статичних, монохроматичних голограм існують і рухомі, і поліхроматичні голограми.
Лазери прошивають калібровані отвори в надтвердих металах і алмазі; їх використовують у медицині – своєрідне зварювання тканин. Уможливлюється зв'язок на відстані, зокрема міжпланетний і навіть міжзоряний: за малої розбіжності пучка густина енергії потоку випромінювання зі зростанням відстані зменшується дуже повільно. Крім того, частота лазерного випромінювання дорівнює , що перевищує частоту радіозв'язку ураз. Стає можливим передавання по одному каналу величезного обсягу інформації, наприклад, десятки тисяч звукових і сотні телевізійних програм одночасно.