Билет № 55

Лазеры. Определение. Виды лазеров. Свойства лазерного излучения. Блок схема лазера. Механизмы биологического воздействия лазерного излучения.

Лазер— усиление света посредством вынужденного излучения. По другому лазер называют оптический квантовым генератором.

Оптический квантовый генератор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Виды лазеров.

- Рубиновый: Рабочее тело – рубин (кристалл Al₂O₃ и 0,05% ионов Cr³⁺)

Система накачки – Импульсная лампа, Применение - Голография, удаление татуировок. Первый представленный тип лазера (1960).

- Гелий-неоновый лазер Рабочим телом гелий-неонового лазера служит смесь гелия и неона в пропорции 5:1, находящаяся в стеклянной колбе под низким давлением (обычно около 300 Па). Энергия накачки подаётся от двух электрических разрядников с напряжением около 1000 вольт, расположенных в торцах колбы. Резонатор такого лазера обычно состоит из двух зеркал — полностью непрозрачного с одной стороны колбы и второго, пропускающего через себя около 1 % падающего излучения на выходной стороне устройства. Применение: Интерферометрия, голография, спектроскопия, считывание штрих-кодов, демонстрация оптических эффектов.

Свойства лазерного излучения:

1. Высокая степень монохроматичности. Для получения монохроматического излучения применяют монохроматоры, позволяющие выделить из сплошного спектра сравнительно узкую область.

2. Когерентность – согласованное протекание в времени нескольких колебательных или волновых процессов. Колебания называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени и пространстве.

3. Лазерное излучение является сильно коллимированным,  т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу

4. Высокая степень поляризации лазерного излучения.

5. Высокая интенсивность лазерного излучения.

6. Высокая мощность.

Благодаря свойствам лазерного излучения (1-4) можно сфокусировать лазерное излучение до диаметра d_фок, сравнимого с длиной волны. Это позволило получать высокие интенсивности излучения в очень локализированной области пространства.

Блок-схема лазера.

Лазер содержит 3 основных элемента:

1. Рабочее тело – среда которая внешним воздействием переходит в активное состояние (Активная среда). Рабочее тело может быть твердым, жидким, газообразным, плазмой. Активная среда – среда приведенная в состояние с инверсной населенностью уровней.

2. Система накачки – устройство для для приведения рабочего тела в активное состояное.

Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. В твердотельных лазерах она осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка.

В газовых и жидкостных лазерах (см. гелий-неоновый лазер, лазер на красителях) используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме.

Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций.

Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов.

3. Оптический резонатор – два зеркала обращенных друг к другу. Обеспечивают существование положительной обратной связи, многократное движение фотонов в рабочем теле.

Инверсная населенность энергетических уровней – это состояние когда на более высоком энергетическом уровне больше частиц чем на более низком.

Механизмы биологического воздействия лазерного излучения.

1. Испарение

2. Обугливание

3. Коагуляция

4. Обратимое повреждение

Механизм действия лазерного луча на биологические ткани таков: сконцентрированная энергия светового пучка резко повышает температуру на небольшом участке. Следствием этого является свертывание и разрушение белка,  выпаривание воды и образование микрополостей в клеточных структурах. Разрушение клеток происходит в результате действия своеобразной ударной волны, которая образуется из-за мгновенного испарения тканей. Под действием лазерного излучения ткань новообразования разрушается, на ее месте остается корочка.

Применение лазеров:

Низкоинтенсивные ( I < 10Вт/см²) – терапия

Высокоинтенсивные – хирургия

С появлением промышленных лазеров наступила новая эра в хирургии. При этом пригодился опыт специалистов по лазерной обработке металла. Приваривание лазером отслоившейся сетчатки глаза — это точечная контактная сварка; лазерный скальпель — автогенная резка; сваривание костей — стыковая сварка плавлением; соединение мышечной ткани — тоже контактная сварка.

1. Косметическая хирургия;

2. Коррекция зрения;

3. Хирургия (Гинекология, урология, лапароскопия);

4. Стоматология

5. Диагностика заболеваний

6. Удаление опухолей, особенно мозга и спинного мозга

Билет № 56

Эволюция взглядов о строении атома. Модель Томсона, опыт Резерфорда.

Демокрит (460-370 гг. до н.э.) Основные элементы его картины природы таковы: -Все тела состоят из атомов, которые неделимы и имеют неизменную форму. -Число атомов бесконечно, число различных типов атомов тоже бесконечно. -Атомы обладают различными выступами, углублениями и крючками, позволяющими им сцепляться друг с другом и тем самым образовывать устойчивые соединения.

В 1647 г. выходит книга французского философа П. Гассенди, в которой он пишет о том, что все тела состоят из атомов, аналогично тому как из строительных материалов построены дома. В телах атомы объединяются в группы, которые Гассенди назвал молекулами.

Роберт Бойль, английский химик и физик, который положил начало становлению химии как самостоятельной науки и дал первое научное определение химического элемента, также придерживался атомистических взглядов.

В России идеи о мельчайших частицах вещества развивал Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765).Различая два вида частиц материи, он дает им названия “элементы” (равные понятию “атом”) и “корпускулы” (равные понятию “молекула”). По Ломоносову, “элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших частиц”, а “корпускула есть собрание элементов в одну небольшую массу”.

Английский ученый Джон Дальтон (1766-1844) впервые предпринял попытку количественного описания свойств атомов. Именно им было введено понятие атомной массы и составлена первая таблица относительных атомных масс различных химических элементов. При этом атом представляется как мельчайшая неделимая, то есть бесструктурная, частица вещества.

Дальнейшее развитие химии связано с работами Лавуазье. С ними вошел в науку закон сохранения массы вещества.

Накопление экспериментальных данных о химических и физических свойствах химических элементов позволило Д. И. Менделееву открыть периодический закон (1869 г.).

Однако, к концу 19-го века появляются неопровержимые факты, свидетельствующие о сложном строении атома. Наиболее серьезный удар по привычным представлениям об атомах нанесло открытие электрона – частицы, входящей в состав атома.

Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом»). Атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами.

Преобладающая доля массы атома сосредоточена в его положительно заряженной части => атом представляет собой сферическое распределение положительного заряда, а внутри находятся электроны, удерживаемые упругими силами, позволяющими им колебаться.

АТОМ, согласно модели Томсона. Электроны удерживаются внутри положительно заряженной сферы упругими силами. Те из них, которые находятся на поверхности, могут довольно легко "выбиваться", оставляя ионизованный атом.

Суммарный отрицательный заряд электронов в точности компенсирует положительный заряд => атом электрически нейтрален.

Но эта модель вызывала ряд возражений.

Было трудно объяснить испускание атомами рентгеновского или гамма-излучения. Затруднения в модели атома Томсона вызвало отношение (e/m) заряда к массе для атомов, потерявших свои электроны.

Опыт Резерфорда

Используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд построил пушку, дававшую направленный и сфокусированный поток частиц. Пушка представляла собой свинцовый ящик с узкой прорезью, внутрь которого был помещен радиоактивный материал. Благодаря этому частицы (в данном случае альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов), испускаемые радиоактивным веществом во всех направлениях, кроме одного, поглощались свинцовым экраном, и лишь через прорезь вылетал направленный пучок альфа-частиц. Далее на пути пучка стояло еще несколько свинцовых экранов с узкими прорезями, отсекавших частицы, отклоняющиеся от строго заданного направления. В результате к мишени подлетал идеально сфокусированный пучок альфа-частиц, а сама мишень представляла собой тончайший лист золотой фольги. В нее-то и ударял альфа-луч. После столкновения с атомами фольги альфа-частицы продолжали свой путь и попадали на люминесцентный экран, установленный позади мишени, на котором при попадании на него альфа-частиц регистрировались вспышки. По ним экспериментатор мог судить, в каком количестве и насколько альфа-частицы отклоняются от направления прямолинейного движения в результате столкновений с атомами фольги.

Эксперименты подобного рода проводились и раньше. Основная их идея состояла в том, чтобы по углам отклонения частиц накопить достаточно информации, по которой можно было бы сказать что-либо определенное о строении атома. В начале ХХ века ученые уже знали, что атом содержит отрицательно заряженные электроны. Однако преобладало представление, что атом представляет собой что-то похожее на положительно заряженную тонкую сетку, заполненную отрицательно заряженными электронами-изюминами, — модель так и называлась «модель сетки с изюмом». По результатам подобных опытов ученым удалось узнать некоторые свойства атомов — в частности, оценить порядок их геометрических размеров.

Резерфорд, однако, заметил, что никто из его предшественников даже не пробовал проверить экспериментально, не отклоняются ли некоторые альфа-частицы под очень большими углами. Модель сетки с изюмом просто не допускала существования в атоме столь плотных и тяжелых элементов структуры, что они могли бы отклонять быстрые альфа-частицы на значительные углы, поэтому никто и не озабочивался тем, чтобы проверить такую возможность. Резерфорд попросил одного из своих студентов переоборудовать установку таким образом, чтобы можно было наблюдать рассеяние альфа-частиц под большими углами отклонения, — просто для очистки совести, чтобы окончательно исключить такую возможность. В качестве детектора использовался экран с покрытием из сульфида натрия — материала, дающего флуоресцентную вспышку при попадании в него альфа-частицы. Каково же было удивление не только студента, непосредственно проводившего эксперимент, но и самого Резерфорда, когда выяснилось, что некоторые частицы отклоняются на углы вплоть до 180°!

В рамках устоявшейся модели атома полученный результат не мог быть истолкован: в сетке с изюмом попросту нет ничего такого, что могло бы отразить мощную, быструю и тяжелую альфа-частицу. Резерфорд вынужден был заключить, что в атоме большая часть массы сосредоточена в невероятно плотном веществе, расположенном в центре атома. А вся остальная часть атома оказывалась на много порядков менее плотной, нежели это представлялось раньше. Из поведения рассеянных альфа-частиц вытекало также, что в этих сверхплотных центрах атома, которые Резерфорд назвал ядрами, сосредоточен также и весь положительный электрический заряд атома, поскольку только силами электрического отталкивания может быть обусловлено рассеяние частиц под углами больше 90°.

Р езерфорду удалось, упрощенно рассматривая ядро как точечный центр рассеяния, на основе только электростатики и механики Ньютона вывести формулу для углового распределения рассеянных частиц:

, где df - доли частиц, M – масса, e - заряд электрона, Z - атомный номер элемента заряд ядра, n - число атомов в 1 см³, t - толщина фольги, M и v - масса и скорость альфа-частицы.

Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны (рис. 6.1.4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро. Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом вперед в развитии знаний о строении атома. О на была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц, однако оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10^–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

Билет № 57

Модель атома Бора. Постулаты Бора. Квантовые числа электрона. Принцип Паули.

Модель атома Бора.

Полуклассическая модель атома, предложенная Нильсом Бором в 1913 г. За основу он взял планетарную модель атома, выдвинутую Резерфордом, и ввел постулаты. Боровская модель водородоподобного атома (Z — заряд ядра), где отрицательно заряженный электрон заключен в атомной оболочке, окружающей малое, положительно заряженное атомное ядро. Переход электрона с орбиты на орбиту сопровождается излучением или поглощением кванта электромагнитной энергии (hν).

Постулаты Бора:

• Электрон может вращаться вокруг ядра атома только по строго определённым круговым орбитам. Радиус орбиты и скорость электрона связаны квантовым соотношением Бора mv_nr_n=nh (Где m- масса электрона, n- номер орбиты, h - постоянная Планка = 1,05·10^-34Дж·с)

• При движении по орбите электрон не изучает и не поглощает энергию. Электрон не подчиняется законам классической физики. Согласно Бору излучение или поглощение энергии определяется переходом атома из одного состояние (с Е₁) в другое (с Е₂). Что соответствует переходу электрона на другую орбиту. При таком переходе: ∆Е=Е₁-Е₂=hv (где hv – частота излучения)

В последующие годы теория Бора была переосмыслена и дополнена. Основные положения современной теории о строении атома:

1. Электрон имеет двойственную, карпускулярно волновую природу. Ведет себя как частица (масса, заряд) и как как волна (способность к дифракции)

2. Для электрона невозмодно одновременно точно измерить координату и скорость.

3. Электрон движется не по определенной траектории , а может находиться в любой части около ядерного пространства. Пространство вокруг ядра в котором вероятность нахождения электрона велика называется орбиталью.

4. Ядро состоит из нуклонов (протонов и нейтронов).