37)Квантовые генераторы, их основные элементы и типы. Особенности лазерного излучения. Применение лазеров.
Квантовый генератор – это общее название источников электромагнитного излучения, работающих на основе вынужденного излучения атомов и молекул, в зависимости от того, какую длину волны излучает генератор, он может называться по- разному: лазер, мазер, разер и газер. Квантовые генераторы – это устройства, позволяющие усиливать свет. Существуют определенные среды, проходя через которые электромагнитное излучение ( или свет) усиливается. Такие среды называются активными(усиливающими). Такую среду может создать некоторое вещество с инверсной заселенностью уровней, т.е. вещество, в котором больше атомов в возбужденном состоянии. Квантовые генераторы работают на основе таких веществ. Лазер (оптический квантовый генератор) работает, например, на кристалле рубина. Каким же образом свет усиливается, когда проходит через такой кристалл?
Как уже известно, вынужденное излучение происходит, когда вещество с инверсной заселенностью уровней попадает в электромагнитное поле, т.е. когда через него проходит поток фотонов с энергией hν. При этом электроны в атомах сбиваются на нижние уровни и атомы излучают свои фотоны с энергией hν. Таким образом поток фотонов внешнего электромагнитного поля усиливается за счет излученных атомами фотонов.
Особенности лазерного излучения состоят в том, что:
Лазеры способны испускать пучки света с очень малым углом расхождения. Поэтому лазерный луч выглядит как тонкая полоска, хотя в этой полоске очень много световых пучков.
Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью, т.е. атомы в лазерах испускают свет согласованно.
Лазеры являются самыми мощными источниками света.
Луч лазера может прожечь отверстие в самом твердом материале, расплавить любую металлическую броню, и он же помогает хирургам при выполнении самых тонких операций внутри человеческого глаза. По лучу лазера осуществляются телефонная связь, лазер применяется для получения объемных изображений и для точного измерения расстояний, лазеры используются для записи и хранения информации (лазерные диски).
38)Энергетические уровни электронов в атоме. Возникновение энергетических зон при образовании твердого тела из изолированных атомов. Заполнение зон при абсолютном нуле. Металлы, диэлектрики, и полупроводники по зонной территории.
Энергетические уровни и поведение электронов в атоме отображают состояние всего атома в целом. Под состоянием электрона в атоме понимают совокупность информации об энергии определенного электрона и пространстве, в котором он находится.
Боровские орбиты электронов представляют собой ничто иное, как геометрическое место точек, в которых с наибольшей вероятностью может быть обнаружен электрон. Если электрон находится на орбите самой близкой к ядру, то он обладает самой маленькой энергией связи с ядром и находится на 1 энергетическом уровне. То, на каком энергетическом уровне находится атом, иначе говоря, на какой орбите по счету от ядра, определяется главным квантовым числом n.
Когда главное квантовое число определено, то определено только значение энергии электрона и орбита, по которой он может совершать свой путь. Пространство вокруг атомного ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. По форме различают 4 известных ныне типа орбиталей, которые обозначают латинскими буквами s, р, d, f. Орбитальное квантовое число l определяет тип орбитали и напрямую зависит от главного квантового числа: l = n-1.
L = 0 при n=1 – s-состояние.
L = 1 при n=2 – p-состояние. L = 2 при n=3 – d-состояние. L = 3 при n=4 – f-состояние и т.д.
Кроме чисел l и n электрон характеризуется также магнитным квантовым числом m, которое определяет проекцию импульса электрона на какое-то направление. Ведь согласно принципу неопределенности Гейзенберга невозможно определить и координату и значение импульса у частицы, поэтому условно можно определить только проекцию импульса электрона на какое-то направление, если известно орбитальное квантовое число. M = 0, … +-L).
А также есть спиновое число, которое позволяет электрону иметь собственный механический момент, вращающий его вокруг своей оси, иначе говоря, выражает наличие двух ориентаций во внешнем магнитном поле (2 стрелочки).
Одному из квантовых чисел может соответствовать целый набор чисел m и l. Согласно принципу Паули, в атоме не может быть двух электронов, у которых все 4 характеристики совпадали бы.
Согласно квантовой теории, электроны атома могут обладать только строго определенными значениями энергии, именуемыми разрешенными. Эти значения энергии называют энергетическими уровнями. Графически энергетический спектр электронов в отдельном атоме можно представить в виде энергетической диаграммы. Пример такой диаграммы представлен на рис. 1.1, а. По вертикали отложены значения энергии, а соответствующие энергетические уровни показаны горизонтальными линиями.
Когда происходит образование твердого тела (кристаллы) при взаимодействии каких-то изолированных атомов, то разрешенные уровни энергии отдельных атомов расщепляются на N подуровней, образуя энергетические зоны.
Электроны наружного слоя электронной оболочки называют валентными. Они обладают наибольшей энергией и слабее всего связаны с ядром (дальше всего от него).
Уровни энергии отдельного атома, занятые электронами при температуре абсолютного нуля (Т = 0 К), образуют в кристалле заполненные зоны, верхняя из которых, занятая валентными электронами, называется валентной зоной.
Более высокие уровни энергии атома, не занятые электронами при Т = 0 К, образуют в кристалле свободные зоны. Свободная зона (или зона проводимости) – ближайшая к валентной зоне, так как попавшие туда электроны могут перемещаться между атомами и создавать электрический ток.
Между свободной и валентной зоной находится запрещенная зона Eg (она измеряется в электрон-вольтах (эВ)), в которой согласно законам квантовой механики электроны находиться не могут (подобно тому, как электроны в атоме не могут иметь энергии не соответствующие энергиям электронных оболочек). Ширина запрещенной зоны является основным параметром, определяющим электрические свойства твердого тела.
*Подобно тому, как по действию магнитного поля на вещество, определялись магнитные свойства веществ – магнетиков, подразделяемых на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики, по электрическим свойствам вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Электрические свойства вещества определяют их возможность проводить электрический ток, т.е. наличие свободных зарядов внутри вещества. В проводниках(металлы) электрический ток свободно может проходить из валентной зоны в свободную. В полупроводниках такой переход еще возможен, а диэлектрики не проводят электрический ток вообще – в них их носители зарядов не могут преодолеть запрещенную зону.*