Перелік рисунків і таблиць звіту по роботі

1. Схема будови рентгенівської трубки (за плакатом “Рентгенівська трубка”).

2. Принципова схема будови сцинтиляційного лічильника (рис. 11).

3. Таблиця даних визначення коефіцієнта  і оцінки короткохвильової границі (таб. 1).

4. Графік залежності на міліметровому папері.

Контрольні запитання

1. Призначення, будова, принцип дії і схема вмикання рентге­нівської трубки (по плакату).

2. Що таке короткохвильова границя рентгенівського випромі­нювання? Як вона визначається?

3. Неперервне (суцільне) рентгенівське випромінювання і його основні характеристики.

4. Одержання характеристичного рентгенівського спектра.

5. К-захват і характеристичне випромінювання.

6. Закон Мозлі, його формулювання, аналітичний і графічний записи.

7. В чому полягає різниця фізичних властивостей для оптичного і рентгенівського випромінювань?

8. Поглинання рентгенівських променів. Фізичний зміст коефі­цієнта поглинання.

9. Що таке шар половинного поглинання?

10. Будова і принцип дії сцинтиляційного лічильника.

11. Призначення і будова рентгенівського апарата УРС-0,02.

12. Призначення і будова дозиметра ДРГ-З-ОІ.

13. Що таке потужність поглиненої дози? В чому вона вимірюється (одиниці вимірювання)?

14. Що таке поглинена доза?

Література

1. И.В.Савельев, Курс общей физики, т.ІІ, ІІІ. – М.: Наука, 1971.

2. Б.М.Яворский, А.А.Пинский, Основы физики, т.2 – М.: 1974.

3. Гольдина Л.Л. Руководство к лабораторным работам по физике, – М.: Высшая школа, 1970.

4. О.Ф.Кабардин. Практикум по ядерной физике, – М.: Просвещение, 1965.

5. М.Е.Меняйлов. Лабораторний практикум з фізики. – К.: Вища школа, 1972.

6. А.А.Русаков. Рентгенография металлов. – М.: Физматгиз, 1977.

Лабораторна робота №4

Вивчення будови, принципу дії та використання лазерів

Мета роботи: вивчення основ квантової радіофізики і визначення довжини хвилі випромінювання газового лазера.

Прилади та обладнання: лазери ЛГ-209 (діючий і в розібраному стані), дифракційна решітка та екрани для спосте­реження інтерференції, встановлені на оптичній лаві, лінійка, міліметровий папір, плакат “Будова і принцип дії рубінового лазера”.

Теоретичні відомості

В п’ятидесятих роках нашого століття почався бурхливий розвиток нової науки – квантової електроніки. Ідеї цієї науки були основані на явищі вимушеного випромінювання, передбаченого в 1916 році А.Ейнштейном і експериментально виявленого майже чверть віку тому в 1939 році радянським фізиком В.А.Фабрикантом. В подальшому (1939-1940 рр.) В.А.Фабрикант вперше сформулював принцип підсилення світла за допомогою вимушеного випромі­нювання. Практичне здійснення цього принципу було вперше запропоноване в 1953 р. радянськими фізиками Н.Г.Басовим і А.М.Прохоровим і незалежно від них американським вченим Таунсом (Нобелівська премія за ці роботи присуджена їм в 1964р.)

Перший генератор і підсилювач електромагнітних хвиль працював у діапазоні мікрохвиль (сантиметрові хвилі). У 1960 р. Мейман (США) створив генератор оптичного діапазону – оптичний квантовий генератор (ОКГ). Перший був названий мазером, другий – лазером від абревіатур MАSER (LASER) на основі виразів “microwave (light) amplification by stimulated emission of radiation”, що означає мікрохвильове підсилення за допомогою вимушеного випромінювання.

Р озглянемо спочатку, що таке вимушене випромінювання і які властивості воно має. Якщо квантово-механічна система, наприклад, атом речовини, підпадає під дію зовнішнього випромінювання, то відбуваються переходи цього атома з одного енерге­

т ичного рівня на інший. Причому зовнішнє випромінювання викликає не тільки переходи з нижчих рівнів на верхні, які супроводжуються поглинанням енергії (рис. 1, а), але і переходи з верхніх рівнів на нижні, під час яких енергія, навпаки, випромінюється (рис.1,б). Таке випромінювання називається вимушеним або індукованим.

На відміну від нього, існує спонтанне (мимовільне) випромінювання, коли система переходить з більш високого на нижчий енергетичний рівень з випромінюванням енергії (рис. 2).

П ри яких же умовах відбу­вається вимушене випромінювання?

Розглянемо квантову систему атомів, яка має лише два енергетичні рівні Е₁ і Е₂ (рис. 3), причому Е₂ > Е₁. Нехай заселеність цих рівнів, тобто кількість атомів на рівнях, буде відповідно, n₁ і n₂. В умовах теплової рівноваги заселеність верхнього рівня завжди менше заселеності нижчого (n₁ > n₂) і описується законом Больцмана:

, , (1)

де с – постійна; k – постійна Больцмана; Т – температура.

Звідси маємо

. (2)

Тоді квантові переходи з Е₁ на Е₂ і навпаки зручно формально описувати температурою Т, вираз для якої отримується логарифмуванням виразу (2), тобто:

. (3)

Так як Е₂ - Е₁ > 0 завжди, то:

а) для рівноважного стану, коли n₁ > n₂, Т > 0 (термодинамічна температура додатня) і під дією зовнішнього випромінювання система тільки поглинає енергію;

б) для того, щоб індуковане випромінювання переважало над поглинанням, необхідно порушити теплову рівновагу системи, шляхом заселення верхніх рівнів більш щільно, ніж нижчих, тобто створити інверсне заселення, коли n₁ < n₂. Тоді, оскільки Е₂ - Е₁ > 0, з (3) виходить, що Т < 0.

Таким чином, індуковане (вимушене) випромінювання відбувається при від’єних абсолютних температурах.

П рактично такий стан можна створити шляхом швидкого надання енергії системі атомів так, як це показано на рис. 4.

Вимушене випромінювання відбувається тільки у випадку, зображеному на рис. 4, г).

Вираз “від’ємна абсолютна температура” не суперечить трєтьому началу термодинаміки, яке стверджує, що абсолютного нуля температури досягнути неможливо. Поняття температури можна застосовувати лише для рівноважних станів, а інверсна заселеність – це нерівноважний стан. Тому застосування формул (1)–(3) до нерівноважного стану призводить до від’ємних значень абсолютної температури.

Які ж властивості має вимушене випромінювання?

А .Ейнштейн показав, що вимушене випромінювання повинно бути за своїми характеристиками цілком тотожним зовнішньому випромінюванню, яке його викликає. Таким чином, якщо квант пролітає повз збуджений атом, то він спонукає останній випромінювати такий же за величиною (й іншими характеристи­ками) квант рис. 5. Таким чином, в напрямку руху спонукаючого кванта рухаються вже два кванти (вимушений і вимушуючий), тобто при індукованому випромінюванні відбувається подвоєння (помноження) кількості однакових квантів або підсилення випромінювання.

Звідси виходить, що індуковане випромінювання має наступні властивості.

1. Величина квантів індукованого випромінювання однакова і дорівнює величині вимушуючого кванта.

2. Крім однакових частот (що випливає з першої властивості) індукований і зовнішній кванти мають однакову фазу і поляризацію, тобто являються когерентними.

3. Напрямок розповсюдження індукованого і зовнішнього квантів однакове.

4. При проходженні індукованого випромінювання крізь сере­довище із збудженими атомами воно підсилюється.

Принцип генерування (створення) індукованого випромі­нювання розглянемо на прикладах роботи рубінового і газового лазерів.

А ктивним елементом (тою частиною приладу, де безпосередньо виникає випромінювання) рубінового лазера являється рубіновий стержень. Рубін – це оксид алюмінію , в якому деякі атоми алюмінію заміщені ато­мами хрому Cr. Чим більше атомів хрому, тим інтенсив­ніший червоний колір рубіну. Іони переходять в збуд­жений стан Е₃ (рис.6) при опроміненні їх світлом потуж­ної ксенонової імпульсної лампи (рис.7), яка називається лампою накачки. Зворотній перехід в основний стан Е₁ відбувається не одразу, а в два етапи. Спочатку збуджені ато­ми переходять на рівень Е₂, віддаючи частину енергії кристалічній решітці рубіна, внаслідок чого він дуже розі­грівається, тому лазер потре­бує охолодження проточною водою. Час життя атомів на Е₂ більше приблизно в 10⁵ разів, ніж на Е₃. Тому рівень Е₂ називається метастабільним (“майже постійним”).

Це означає, що при неперервному інтенсивному збудженні атомів хрому лампою накачки вони з часом накопичуються на Е₂.

З другого енергетичного рівня Е₂ деяки атоми хрому спонтанно переходять на Е₁ і випромінюють зовнішні кванти, під дією яких відбувається перехід всіх інших, накопичених на Е₂, іонів з метастабільного рівня на основний, який супроводжується індуко­ваним випромінюванням квантів з довжиною хвилі 6943 Å.

Це випромінювання – підсилене випромінювання, але інтенсив­ність його ще невелика. Тому в лазерах існує начебто другий каскад підсилення випромінювання за допомогою опричного резонатора, який в рубіновому лазері складається з двох строго паралельних дзеркал – торців, що покриті тонким шаром срібла, рубінового стержня.

Перш ніж розглядати роботу оптичного резонатора, розглянемо генерування індукованого випромінювання в газовому (гелій-неоновому) лазері.

Й ого активний елемент складається зі скляного балона, в який впаяно анод А і катод К. У балоні знаходиться суміш гелію He з неоном Ne; на кінцях закріплені плоско паралельні дзеркала – оптичний резонатор. Роль лампи накачки в гелій-неоновому лазері відіграє тліючий розряд, який вини­кає в газі після подання до електродів А і К високої напруги. Під час розряду атоми Не переходять у збуджений стан (рис.8). Збуджені атоми Не, стикаю­чись з атомами Ne, переда-ють їм свою енергію, тобто збуджують їх. Атоми Ne переходять на метастабіль­ний рівень Е₃, і на ньому виникає інверсна заселеність. Під час переходу відбувається індуковане випромінювання газового лазера у видимому діапазоні світла (червоний колір). Через те, що рівень Е₂ не являється метастабільним, перехід , який відбувається в інфрачерво­ному діапазоні, не дає вимушеного випромінювання.

Підсилення генерованого вимушеного випромінювання в оптичному резонаторі відбувається однаково як в рубіновому так і вгазовому лазерах. Кванти вимушеного випромінювання, одержані в

р езультаті переходів (в рубіновому лазері) і (в газовому), які пролітають повз збуджені атоми в активному еле­менті, примушують їх випромі­нювати нові і нові кванти. Чим більший шлях прольоту квантів індукованого випромінювання, тим більше підсилення. Збіль­шення цього шляху створюється багаторазовим відбиванням (рис. 9) потоку індукованих квантів від паралельних дзеркал Дз₁ і Дз₂. Підсилене світлове випромінювання вихо­дить з резонатора через напівпро­зоре дзеркало Дз₂. Класична теорія пояснює підсилення тим, що довжина оптичного резона­тора L (відстань між дзеркалами) вибирається такою, щоб на ній укладалося ціле число на пів­хвиль, утворених накладанням зустрічних пучків світла стоячої хвилі.

Оскільки лише невелика частина енергії ксенонової лампи накачки іде на генерування вимушеного випромінювання, а решта витрачається на нагрівання рубіну, то його стержень треба інтенсивно охолоджувати (див. плакат “Рубіновий лазер”).

Рубінові лазери працюють в імпульсному режимі, що дає можливість за дуже короткий час випромінювати велику енергію.

О днією з основних характеристик лазерного випромінювання є його довжина хвилі . Для її визначення використовується дифрак­ційна решітка. Направляючи на неї пучок когерентного випромінювання лазера, одержують на екрані дифрак­ційну картину у вигляді яскравих точок – максимумів (рис. 10).

З вимірювань параметрів дифрак­ційної картини обчислюється довжина хвилі  випромінювання лазера (див. “Хід роботи”). Завдяки приведеним вище властивостям індукованого випромінювання лазери і мазери набули дуже широкого застосу­вання – від медицини на Землі до зварювання в космосі.