§ 6. Виды лазеров и их применение

По режиму работы лазеры можно разделить на импульсные и непрерывного действия. По виду активной среды лазеры делятся на газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные. По способу накачки: лазеры с оптической накачкой, газоразрядные лазеры, химические лазеры, ижекционные, лазеры и с электронной накачкой.

Для всех лазеров характерны следующие особенности излучения:

1) большая временная и пространственная когерентность. Время когерентности τ составляет 10^-3с, что соответствует длине когерентности ;

2) строгая монохроматичность: ;

3) большая плотность потока энергии;

4) очень малое угловое расхождение в пучке (от 5· 10^-4 радиан до 4· 10^-2радиан).

Коэффициент полезного действия лазеров изменяется от 0,01% (для гелий-неонового лазера) до 75% (для лазера на стекле с неодимом).

Мощность непрерывного излучения лазеров изменяется от 10^-3Вт (гелий-неоновый лазер) до 10⁵Вт (газодинамический лазер на CO₂). Мощность импульсного излучения изменяется от 10 Вт (полупроводниковые лазеры) до 10¹³Вт (лазеры на стекле с неодимом).

Особенности лазерного излучения находят самое разнообразное применение. Способность лазера концентрировать световую энергию в пространстве, времени и узком спектральном интервале может быть использована двояко:

1) нерезонансное воздействие мощных световых потоков на вещество в непрерывном и импульсном режимах (лазерная обработка материалов), использование мощных лазеров для решения проблемы термоядерного синтеза;

2) резонансное воздействие на атомы, молекулы и молекулярные комплексы, вызывающие процессы фотодиссоциации, фотоионизации, фотохимические реакции.

Нерезонансное, тепловое воздействие лазерного излучения, используемое в лазерной технологии обработки материалов, упрощает операцию получения отверстий в твердых, хрупких, тугоплавких материалах. Например, лазерная технология эффективна при изготовлении алмазных фильер - рабочего инструмента машин для волочения проволоки: через отверстие в фильере протягивается обрабатываемый материал. Лазерная технология используется для резки материала, нанесения рисунка на его поверхность, образование нужного микрорельефа на ней. Лазерная сварка позволяет соединить металлы и сплавы, не свариваемые обычным способом.

В частности, в медицине (хирургии) лазерный луч в ряде случаев с успехом используется в качестве хирургического скальпеля. В офтальмологии лазерным лучом прикрепляют отслоившуюся сетчатку глаза. Отметим, что в медицине используют и резонансное воздействие лазерного луча на ткани организма, в частности, маломощное излучение гелий-неонового лазера. Механизмы такого воздействия пока в деталях не изучены, предполагается, что его необычно высокая эффективность при очень малой мощности излучения (десятки милливатт) объясняется цепными фотохимическими реакциями, возникающими под воздействием лазерного излучения.

Применение лазеров в спектроскопии резко повысило возможность традиционных методов, кроме того, позволило создать методы, основанные на принципиально новых физических принципах. Чувствительность спектроскопических методов доведена до предельного уровня, ограниченного регистрацией единичных атомов и молекул. Методы лазерной спектроскопии используются в лазерной химии, лазерном разделении изотопов.

Лазеры широко применяют в измерительной технике. Например, лазерные интерферометры на гелий-неоновых лазерах позволяют с большой точностью производить юстировочные и нивелировочные работы. Широко используются лазерные светодальномеры и даже лазерные рулетки на портативных полупроводниковых лазерах.

Применения лазеров столь обширны, что здесь невозможно даже их простое перечисление, кроме того, область применения лазеров постоянно расширяется.

С появлением лазеров связано рождение таких новых разделов физики как нелинейная оптика и голография.

Нелинейная оптика исследует распространение мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом. Напряженности электрического поля в мощных лазерных пучках сравнимы или даже превышают внутриатомные поля. Это приводит к возникновению новых оптических эффектов и существенно меняет характер уже известных явлений. В частности, в 1969 г. была обнаружена самофокусировка света: мощный световой пучок, распространяясь в среде, не испытывает дифракционной расходимости, а, напротив, самопроизвольно сжимается.

Голография (от  греческого holos - весь, полный, grapho - пишу) -  способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отраженной предметом, освещаемым источником света (предметная волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна). Зарегистрированная интерференционная картина называется голограммой.

Голограмма, освещенная опорной волной, создает такое же амплитудно-фазовое пространственное распределение волнового поля, которое создавала при записи предметная волна. Таким образом, голограмма, за счет дифракции опорной волны на записанной в ней интерференционной картине, преобразует опорную волну в копию предметной.

Основы голографии были заложены в 1948 году английским физиком Д. Габором, венгром по происхождению. Экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка этого способа стали возможными лишь после появления источников света высокой степени когерентности - лазеров.

Схемы записи и воспроизведения голографического изображения показаны на двух рисунках 15.8а,б.

Рис. 15.8

Итоги лекции N 15

1. Лазер, или оптический квантовый генератор - это устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе.

2. Вынужденное излучение возникает, если на атом, находящийся в возбужденном состоянии с энергией Е₂, воздействует фотон с частотой, удовлетворяющей условию: , где Е₁ - энергия основного состояния. Вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.

3. Если на уровне Е₂ находится больше электронов, чем на уровне Е₁, то такое состояние активной среды называют состоянием с инверсией населенности. В этом случае процесс вынужденного излучения будет преобладать над процессом поглощения света.

4. Для возникновения лазерного излучения необходимо наличие положительной обратной связи, осуществляемой за счет оптического резонатора. Простейший оптический резонатор состоит из двух плоских зеркал, параллельных друг другу. Активная среда в состоянии с инверсией населенности расположена между этими зеркалами.

5. Процесс создания инверсии населенности называется накачкой. Существуют различные виды накачки. В твердых телах и жидкостях используют оптическую накачку. В этом случае для создания инверсии населенности необходимо, по крайней мере, три энергетических уровня атомов активной среды.

6. Для всех лазеров характерны следующие особенности излучения:

1) большая временная и пространственная когерентность (время когерентности τ ~ 10^-3 с, что соответствует длине когерентности l = с · τ = 10⁵ м;

2) строгая монохроматичность: Δλ ~ 10^-11 м;

3) большая плотность потока энергии;

4) очень малое угловое расхождение (от 5·10^-4 радиан до 4·10^-2 радиан).

7. Особенности лазерного излучения находят самое разнообразное применение. Используется как нерезонансное воздействие мощных лазерных пучков на вещество, так и резонансное воздействие на атомы и молекулы, вызывающие различные фотостимулированные реакции.

8. С появлением лазеров стало возможным экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка голографии. Голография - это способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отраженной предметов, освещаемым источником света (предметная волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна).

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

 

ЛЕКЦИЯ N 16

Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое число. Дефект масс и энергия связи атомного ядра. Ядерные силы

 

§ 1. Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое число

Атомное ядро было открыто английским физиком Э. Резерфордом в 1911 году в опытах по рассеянию α-частиц при прохождении их через вещество. Схема этого опыта была приведена нами в первой лекции (см. рис. 1.1), там же было дано его краткое описание. Опыт Резерфорда послужил нам в первой лекции отправной точкой для обсуждения планетарной модели атома и проблемы нестабильности атома в этой модели. Теперь же нас будет интересовать само ядро.

Ядро - центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95%). Размеры ядер порядка 10^-15÷10^-14 м. Ядра имеют положительный заряд, кратный элементарному заряду е:

Целое число Z называется зарядовым числом. Оно совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов (см. лекцию 9, § 2).

Ядро состоит из протонов и нейтронов (ниже мы уточним это утверждение).

Термин "протон" (от греческого protos - первый) был введен Резерфордом в начале 20-х годов. Протон обозначают символом "р", он имеет следующие характеристики.

Протон - одна из двух стабильных элементарных частиц (другой стабильной частицей является электрон).

Масса протона:

здесь m_е - масса электрона.

В ядерной физике и в физике элементарных частиц массы принято выражать в единицах энергии, умножая их значение в системе СИ, на квадрат скорости света с², в соответствии с релятивистской формулой, связывающей массу частицы с ее энергией покоя (см. Ч.1, (12.7)): W₀ = m с².

Так масса частицы, равная 1 МэВ (точнее - 1 Мэв/с²) в системе СИ будет равна:

Выраженная в МэВ масса электрона равна:

Заряд протона - равен элементарному:

Протон имеет спин s = 1/2 и, следовательно, подчиняется принципу запрета Паули (см. лекцию 9, § 1).

Протон обладает собственным магнитным моментом:

здесь

-единица измерения магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. (Сравните с магнетоном Бора, введенным в части 2 формулой (13.19), там в формуле, аналогичной (16.7) на месте m_р стояла масса электрона m_е, значит ядерный магнетон в 1836 раз (см. (16.2)) меньше магнетона Бора). Магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше магнитного момента электрона.

Нейтрон был открыт в 1932 году английским физиком Д. Чедвиком - учеником Резерфорда. Обозначение нейтрона - символ "n". Электрический заряд нейтрона равен нулю.

Масса нейтрона:

Так как масса нейтрона больше массы протона, то он нестабилен и распадается в свободном состоянии по схеме:

здесь - обозначение электрона,

- символ, обозначающий антинейтрино.

Время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов (период полураспада) Т_1/2 ≈ 12 минут.

Нейтрон, как и протон, имеет спин s=1/2 и поэтому подчиняется принципу запрета Паули.

Несмотря на свою электрическую нейтральность, нейтрон обладает собственным магнитным моментом:

Знак "-" указывает на то, что магнитный момент направлен против механического (спинового). Уже этот факт говорит о наличии внутренней структуры у нейтрона.

Отношения магнитного момента протона к магнитному моменту нейтрона с большой точностью равно 3/2. Объяснение этому было дано на основе представления о кварковой структуре протона и нейтрона.

Протонно-нейтронная модель атомного ядра была предложена в 1932 г. советским физиком Д. Иваненко после открытия нейтрона. Затем эта модель была развита немецким физиком В. Гейзенбергом.

Протоны и нейтроны получили общее название нуклонов, т.е. ядерных части. Отметим, что в ядре нейтрон является стабильной частицей.

Общее число нуклонов в ядре означается буквой А и называется массовым числом ядра.

Число нейтронов в ядре обозначают буквой N. Если учесть, что число протонов в ядре (зарядовое число) обозначается буквой Z, то для числа нейтронов имеем:

По современным представлениям протоны и нейтроны состоят из кварков и глюонов и атомное ядро - сложная система, состоящая из большого количества кварков, глюонных и мезонных полей, взаимодействующих друг с другом. Задача последовательного теоретического описания атомного ядра ставится в рамках квантовой хромодинамики. Однако в силу своей сложности эта задача пока не решена.

При описании атомного ядра и ядерных реакций, происходящих при небольших энергиях (≤ 1 ГэВ на нуклон) можно с хорошей точностью считать, что ядро состоит из вполне определенного числа нуклонов, движущихся с нерелятивистскими скоростями (v²/c²~0,1).

Размер ядра довольно точно определяется формулой:

здесь Ф - ферми - единица  длины в ядерной физике, равная 10^-15 м.

Для обозначения ядер применяют следующий символ:

здесь Х - химический символ данного элемента в таблице Менделеева, А - массовое число, Z  - зарядовое число.

Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами. Химические свойства элементов определяются валентными электронами.

У протонов числа электронов одинаковы, значит по своим химическим свойствам атомы протонов совершенно одинаковы.

Большинство химических элементов имеет по нескольку стабильных протонов. Например, у водорода три изотопа:

Обычный водород и дейтерий стабильны, тритий - радиоактивен, его период полураспада Т_1/2=12,35 года.