14. Естественно-научные основы лазерных технологий. Особенности лазерного излучения. Применение лазеров в технике и технологиях.

Ла́зер - устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. 16 мая 1960 года Т. Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера. В качестве активной среды использовался кристалл искусственного рубина (оксид алюминия Al2O3 с небольшой примесью хрома Cr), а вместо объёмного резонатора служил резонатор Фабри-Перо, образованный серебряными зеркальными покрытиями, нанесенными на торцы кристалла. Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу. Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

1) активной (рабочей) среды;

2) системы накачки (источник энергии); 3) оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя). Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций. В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки и пр.). В промышленности лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Также лазер используют в микроэлектронике (лазерное скрайбирование). Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление). В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.). Широкое применение получили также в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен).

15Современные представления об эволюции Вселенной, галактик, звезд и звездных систем.

В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной, или «Большого Взрыва», основы которой были заложены в трудах американского физика русского происхождения Дж. Гамова и его сотрудников в конце 40-х гг. XX. в. В соответствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой.

Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной - в гигантском количестве теплоты, выделившейся при Большом Взрыве. Согласно современным представлениям такой взрыв произошел 15-17 млрд. лет назад. С тех пор вещество Вселенной, первоначально сжатое в точечном объеме с колоссальной плотностью и имевшее температуру свыше 10 млрд. градусов, разлетается подобно надувающемуся резиновому шарику, охлаждается и преобразуется в твердые частицы.

Через 2 млрд. лет после большого взрыва возникли квазары, которые в объеме звезды концентрировали массу галактик. Еще через 1 млрд. лет началось формирование галактик (скоплений звезд).

Через 5 млрд. лет после большого взрыва сформировалась галактика Млечного Пути, одной их звезд которой является Солнце. Солнце сформировалось через 8 млрд. лет после большого взрыва и существует уже 7-9 млрд. лет Земля существует уже 5 млрд. лет, первые формы жизни на Земле появились 3 млрд. лет назад.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 г. реликтового излучения - микроволнового фонового излучения с температурой около 2 К. Косвенным подтверждением этой модели служит также наблюдаемое обилие гелия, превышающее повсеместно 22 % по массе, а также обнаруженное в межзвездном газе неожиданно высокое содержание дейтерия, происхождение которого можно объяснить лишь ядерными реакциями синтеза легких элементов в горячей Вселенной. Зная современную температуру реликтового излучения, можно провести экстраполяцию в прошлое, используя хорошо известные и проверенные законы механики, термодинамики, статистической, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц и др.

Современная астрономия теоретически и эмпирически обосновывает идею нестационарности Вселенной: мир астрономических объектов находится в состоянии постоянного качественного изменения, развития. Идея развития пронизывает всю современную астрономию. Эта идея носит не умозрительный характер, а воплощается в разного рода астрофизических и космологических моделях.

Вопрос о единственности Вселенной как объекта космологии в современной астрономии решается отнюдь не однозначно. Наряду с точкой зрения, что Вселенная как объект космологии - это наша Метагалактика в ее самых общих свойствах (причем данная точка зрения пока доминирует), существует мнение, что отождествлять Вселенную с Метагалактикой нельзя, поскольку Вселенная может состоять из множества метагалактик, множества вселенных, порождаемых виртуальной «пеной» физического вакуума, могут сосуществовать друг с другом, а тезис об уникальности Вселенной должен рассматриваться как исторически относительный, определяемый уровнем практики.

ВАРИАНТ №2 (способ – лекция)

Новая вселенная: темная материя, темная энергия.

Галактики: спиральные, не правильные, эллиптические.

Черная дыра - это область пространства, из которого не может выйти свет.

Черная дыры – это дверь в другие миры. По аналогии есть «белые» дыры.

Современные представление об эволюции звезд и звездных систем.

Звезды бывают: переменные, кратные.

Общая эволюция звезд

1. Звездные ассоциация

2. Переменные звезды

3. Не стационарные звезды

4. Обычные звезды

5. Белый карлик

6. Черный карлик

7. Новые звезды

8. Сверхновые звезды

9. Газовые туманности (остатки вспышек сверхновых звезд)

10. Нейтронные звезды (пульсары)

11. Красные гиганты

12. Черные дыры

13. Белые дыры

14. Квазары