19. Вынужденное излучение. Принцип действия лазера.

Электроны могут переходить с одного электронного уровня на другой. Переход с низкого на высокий возможен только при поглощении энергии атомом (квант света), а переход с более высокого на низкий происходит самопроизвольно (спонтанно). Эйнштейн указал третий вид перехода – испускательный (из-за падающего на вещество излучения).Это и есть вынужденное или индуцированное излучение, обладающее свойствами: 1) направление его распространения совпадает с направлением вынуждающего излучения; 2) частота, фаза и поляризация вынужденного и вынуждающего излучения полностью совпадают.  вынужденное и вынуждающее излучения строго когерентны. Эта особенность вынужденного излучения лежит в основе действия усилителей и генераторов света, называемых лазерами.

В лазерах вынужденное излучение используется для усиления электромагнитных волн. Сначала были мазеры (работавшие в диапазоне микроволн(см)). Лазеры работают в оптическом диапазоне. Чтобы получить усиление падающей волны необходимо получить инверсную населенность уровней, т.е. чтобы в состоянии с большей энергией было бы больше электронов, чем в состоянии с меньшей энергией. Первый лазер – цилиндр из розового рубина (Al₂O₃ часть атомов Al замещена атомами хрома) освещаемый импульсной лампой. Принцип: ионы Cr³⁺ поглощают свет и переходят в возбужденное состояние, переходят в основное состояние в 2 этапа: из состояния 1 в возбужденное 3 (время жизни 10^-8 сек), часть хрома спонтанно перейдет в 1, большинство в 2 (10^-3сек) – метастабильный уровень, т.е. в состоянии 2 больше ионов чем в 1 – инверсивная населенность уровней 1 и 2. Затем ион хрома из 2 уровня спонтанно перейдет в 1, при этом излучается фотон, который пролетая вблизи других ионов вызывает вынужденное излучение, носящее лавинообразный характер. Для формирования строго направленного пучка торцы рубинного цилиндра хорошо полируют, делают их строго параллельными и покрывают слоем серебра, чтобы создать зеркальную поверхность.

20. Энергия связи ядра атома. Деление ядер. Ядерный реактор. Термоядерный синтез.

Число протонов – Z, нейтронов – N. Z и N –нуклоны. Массовое число А=Z+N. У протона заряд +e. m_p=1836m_e. M_n=1838,6m_e Ядра с одинаковыми Z, но с разными А – изотопами. Нейтрон распадется n  p + e^- v~ (v~ - испускаемая частица антинейтрино).

Масса покоя любого ядра m_я всегда меньше суммы масс покоя входящих в него нуклонов: m_я<Zm_p+Nm_n- при объединении нуклонов в ядро происходит выделение энергии связи ядра, так называемого потому что именно столько энергии необходимо сообщить ядру чтобы вновь его разъединить на нуклоны. Величина энергии связи ядра очень велика. E_св/А – удельная энергия связи. Максимальная Eсв (8,7 МэВ/нуклон) с А=50-60, потом уменьшается до 7,5 у урана. Два спада на кривой зависимости E_св/А от А делают возможным два процесса: деление тяжелых ядер и синтез легких.

Деление ядер может быть спонтанным и вынужденным (похожи в физ. смысле). Деление ядра урана-235 после захвата им нейтрона происходит на такие осколки, массы которых относятся как 2:3. При делении ядра урана выделяется 2,5 свободных нейтрона, обладающие высокой энергией (2 МэВ  v=2*10⁷м/с). Каждый акт деления приводит к выделению около 200 МэВ ядерной энергии.

2 способа использования: 1) Ядерный реактор. Уран-графитовый. Делящееся в-во – природных уран обогащенный изотопом U²³⁵. Замедлитель – графит, для замедления образующихся при делении быстрых нейтронов до тепловых скоростей (0,03эВ) (нейтроны в равновесии с атомами среды). Замедляют потому что вероятность захвата нейтрона ядром урана больше при малых скоростях. Регулирующие стержни из кадмия и бора облают способностью поглощать нейтроны. В реакторе осколки деления выделяют кинетическую энергию, при замедлении происходит сильный разогрев урановых блоков, энергия выносится с помощью теплоносителя (воды) и передается теплообменнику. 2) Цепная ядерная реакция атомной бомбы. Нейтроны не тепловые, а быстрые. Не природный уран, а 235. При определенной массе нейтроны быстро размножаются и реакция имеет взрывной характер.

Термоядерный синтез. Слияние легких ядер в более тяжелое ядро сопровождается выделением ещё большей энергии чем при делении тяжелых ядер. Энергия выделяемая в термоядерной(водородной) бомбе = 3,5 МэВ на кулон, в атомной 0,85. Слиянию ядер препятствует кулоновский барьер(взаимное отталкивание одноименных эл. зарядов), но его можно преодолеть повышением температуры до миллионов градусов. Термоядерные реакции пока неуправляемы(если получится управлять – неисчерпаемый источник энергии)