1)Гипо́теза Пла́нка — гипотеза, выдвинутая 14 декабря 1900 года Максом Планком и заключающаяся в том, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию  , пропорциональной частоте ν излучения:

где h или   — коэффициент пропорциональности, названный впоследствии постоянной Планка. На основе этой гипотезы он предложил теоретический вывод соотношения между температурой тела и испускаемым этим телом излучением — формулу Планка.

Позднее гипотеза Планка была подтверждена экспериментально.

Выдвижение этой гипотезы считается моментом рождения квантовой механики.

Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле —света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Фотоны обозначаются буквой  , поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практическисинонимичны. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны^[3] являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами.^[4] Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.

2) Внешний фотоэффект

Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Фотокатод — электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений и эмитирующий электроны под действием этого излучения.

Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны электромагнитного излучения называют спектральной характеристикой фотокатода.

[править]Законы внешнего фотоэффекта

1. Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения):  и 

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота ν₀ света (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

3) Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работеЭйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

где   — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества),   — кинетическая энергия вылетающего электрона,   — частота падающего фотона с энергией  , h — постоянная Планка. Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже не достаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.

4) Внутренний фотоэффект

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.

Фотоэффект используется в фотоэлектронных приборах, получивших разнообразные применения в науке и технике. На фотоэффекте основано превращение светового сигнала в электрический. Электрическое сопротивление полупроводника падает при освещении; это используется для устройства фотосопротивлений. При освещении области контакта различных полупроводников возникает фото-эдс, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую (фотография справа). Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое излучение, вплоть до отдельных квантов. Анализ энергий и углов вылета фотоэлектронов позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 году японские исследователи создали новый тип полупроводникового прибора - фотоконденсатор, неразрывно соединяющий в себе фотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии. В преобразовании света новый прибор оказался вдвое эффективнее простых кремниевых солнечных батарей.

• 5) Излучение и поглощение энергии атомом происходит при скачкообразном переходе из одного стационарного состояния в другое, при этом имеют место два соотношения:

  1.  где   — излучённая (поглощённая) энергия,   — номера квантовых состояний. В спектроскопии   и   называются термами.

  2. Правило квантования момента импульса:   

Далее исходя из соображений классической физики о круговом движении электрона вокруг неподвижного ядра по стационарной орбите под действием кулоновской силы притяжения, Бором были получены выражения для радиусов стационарных орбит и энергии электрона на этих орбитах:

   м — боровский радиус.

   — энергетическая постоянная Ридберга (численно равна 13,6 эВ).

6) Как отмечалось в § 184, законы фотоэффекта были объяснены в 1905 г. А. Эйнштейном с помощью представления о световых квантах (фотонах). Согласно этим представлениям энергия электромагнитного поля не может делиться на произвольные части, а излучается и поглощается всегда определенными порциями, равными hn. Здесь n — частота колебаний для излучения, a h — постоянная Планка. Именно эти порции энергии электромагнитного поля и получили название световых квантов или фотонов. Квантовый характер электромагнитного излучения обычно проявляется в таких опытах, когда энергия каждого фотона достаточно велика, а число фотонов не слишком большое. Но во многих оптических экспериментах, в которых отчетливо наблюдаются волновые свойства света, мы встречаемся с противоположной ситуацией, когда энергии фотонов малы, а их число очень велико (см. пример в § 184). Именно поэтому квантовая природа света долго ускользала от внимания исследователей. Как уже говорилось ранее, в опытах по фотоэффекту на проводниках было обнаружено, что максимальная кинетическая энергия электронов, вылетающих под действием света (так называемых фотоэлектронов), связана с работой выхода А и частотой облучающих проводник электромагнитных волн соотношением (209.1) Это соотношение в 1916 г. было подтверждено американским физиком Р. Милликеном. Тонкие и тщательные измерения Милликена, выполненные по схеме опытов, описанных в § 183, позволили установить линейную зависимость между максимальной энергией, получаемой электроном от света, и частотой этого света, определить универсальный характер постоянной Планка h и измерить эту величину (h=6,6•1034 Дж•с). В дальнейших опытах частота падающего на поверхность металла излучения изменялась в широких пределах — от видимого света до рентгеновского и во всем исследованном интервале частот результаты измерений оказались в превосходном согласии с теорией. В экспериментах с рентгеновским излучением представления о квантах были подвергнуты особенно тщательной и разносторонней проверке. Действительно, кванты видимого света (фотоны) обладают очень малой энергией — так, для желтого света n»5•1014 с-1 и hn»3,31•10-19 Дж. Поэтому для регистрации такого света в большинстве опытов приходится иметь дело с большим числом фотонов в единицу времени. В соответствии с этим, действие, производимое летящими по всем направлениям световыми квантами, распределенными случайным образом, трудно отличить от действия волны, равномерно распространяющейся во все стороны. Чем больше энергия квантов, тем легче наблюдать действие отдельного кванта и легче, следовательно, осуществить опыт по наблюдению распространения энергии излучения не во все стороны равномерно, а вспышками то по одному, то по другому направлению. Энергия фотонов в рентгеновской области спектра значительно превышает энергию фотонов видимого света. Кроме того, в опытах с рентгеновским излучением легче осуществить условия для испускания небольшого числа квантов в единицу времени. Для получения рентгеновского излучения нужно бомбардировать электронами анод рентгеновской трубки (см. §§ 151, 153). Всякая остановка (торможение) электронов в веществе анода сопровождается испусканием рентгеновского излучения. Теория световых квантов предсказывает, что в самом благоприятном случае вся кинетическая энергия электрона после его остановки перейдет полностью в один-единственный фотон, энергия которого hn определяется из условия Wкин=hnmax. Если электрон разгонялся разностью потенциалов U, то Wкин=eU. Итак, максимальная частота рентгеновского излучения задается соотношением (209.2) Действительно, измерения подтвердили, что рентгеновский спектр в таких экспериментах характеризуется коротковолновой границей где с — скорость света, а максимальная частота излучения согласуется с условием (209.2). Более короткие волны (большие значения частоты v) никогда при этом не наблюдаются, а более длинные волны соответствуют превращению лишь части кинетической энергии электрона в рентгеновское излучение. Определение коротковолновой границы рентгеновского спектра может быть выполнено весьма надежно. Поэтому такие опыты использовались для определения значения постоянной Планка (в соответствии с (209.2)). Наилучшие измерения, выполненные этим методом, дали h=6,624•10-34 Дж•с. Эти данные согласуются с результатами измерения h в опытах по фотоэффекту. Таким образом, теория квантов хорошо подтверждается не только опытами по поглощению энергии излучения (фотоэффект), но и опытами по ее испусканию. Регулируя число электронов, бомбардирующих анод рентгеновской трубки, мы можем изменять число излучаемых рентгеновских фотонов. Если теперь подвергнуть металлическую пластинку воздействию рентгеновским излучением, вызывая тем самым выход фотоэлектронов, то, как показывают опыты, кинетическая энергия этих электронов будет равняться энергии рентгеновских квантов (так как энергия электронов и рентгеновских квантов в таких опытах составляет десятки киловольт, то работой выхода электронов из металла — несколько электронвольт — можно пренебречь). Таким образом, весь цикл превращений энергии в этих опытах выглядит так: 1) превращение работы электрического поля eU в кинетическую энергию электрона W=1/2 mv2e в рентгеновской трубке; 2) превращение кинетической энергии электрона в энергию излучаемого электроном при резком торможении рентгеновского кванта; 3) поглощение фотона электроном и превращение его энергии в кинетическую энергию фотоэлектрона: Такие опыты можно сильно разнообразить, пользуясь удобными условиями экспериментов с рентгеновским излучением. Все они показывают, что энергия передается в этих явлениях концентрированными порциями, а не накапливается постепенно, как это имело бы место при непрерывной передаче энергии в виде электромагнитной волны. Один из самых убедительных опытов такого типа был поставлен Абрамом Федоровичем Иоффе (1880—1960). Были выполнены также прямые эксперименты по регистрации отдельных фотонов, показывающие, что энергия рентгеновского излучения распространяется от анода трубки в разные стороны не одновременно, а в виде порций (квантов), летящих то в ту, то в другую сторону. Таким образом, исследование фотоэффекта и опыты с рентгеновским излучением убедительно показали, что свет ведет себя в этих явлениях не как волна, а как некоторая частица — фотон, которая образуется при излучении, летит в каком-то направлении и, поглощаясь, целиком отдает свою энергию другой частице. Но если фотон ведет себя как частица с полной энергией W=hn, то он должен иметь и определенный импульс. Фотон имеет скорость, равную скорости света. Поэтому из общих формул релятивистской механики (см. §§ 199, 200) следует ожидать, что он будет обладать импульсом (209.3) Как мы уже видели раньше (§ 200), отличительной особенностью фотона является равенство нулю его массы покоя: фотон всегда движется со скоростью света и не может существовать, как покоящаяся частица. То, что фотоны обладают импульсом, косвенным образом следует уже из опытов по световому давлению (§ 65). Способность света оказывать давление на отражающую или поглощающую поверхность следует интерпретировать как результат передачи импульса фотонов, подобно тому как отражающиеся от стенки сосуда молекулы газа передавая ей импульс, оказывают на нее давление (см. том I). Очень важную роль в развитии представлений о фотонах как некоторых элементарных частицах сыграли опыты американского физика Артура Комптона (1892—1962), в которых непосредственно было показано, что фотоны при соударениях с электронами ведут себя, как частицы с энергией и импульсом, связанными между собой соотношением (209.3). Исследуя рассеяние рентгеновского  излучения в веществе из легких атомов (рис. 371) Комптон в 1923 г. обнаружил, что при этом происходит изменение длины волны рентгеновского излучения, и установил связь между изменением длины волны Dl и углом рассеяния q: (209.4) Здесь постоянная l0=h/mec=2,43•10-12 м была первоначально определена из опыта. Результаты этих опытов противоречат классическим представлениям о рассеянии электромагнитных волн атомами, согласно которым атом под действием падающего излучения должен испытывать вынужденные колебания и становиться источником рассеянных волн, имеющих ту же частоту (т. е. ту же длину волны), что и падающая волна. Открытое Комитетом явление было, однако, прекрасно интерпретировано с помощью представления о фотонах. Опыты Комптона проводились с рентгеновскими квантами Рис. 371. а) Схема опыта Комптона. б) Спектр рассеянного рентгеновского излучения с энергией 17,5 кэВ. Эта энергия велика по сравнению с энергией связи электронов в легких атомах (несколько электронвольт). Поэтому можно считать, что в опытах происходило столкновение фотона со свободным электроном (а не с атомом как целым), напоминающее соударение Рис. 372. Упругое столкновение фотона и электрона. До столкновения электрон покоится: hn/c — импульс падающего фотона, hn'/c — импульс рассеянного фотона, рв — импульс электрона, q — угол рассеяния фотона упругих шаров. Применяя законы сохранения энергии и импульса (рис. 372) к этому соударению, мы получим (209.5) При определении р2e следует учитывать векторный характер закона сохранения импульса и использовать тригонометрическую теорему о связи между длинами сторон треугольника (рис. 372). При рассеянии рентгеновских фотонов высоких энергий электроны отдачи, получившие от этих фотонов импульс, могут иметь скорости, сравнимые со скоростью света. Поэтому следует учитывать релятивистский рост их массы и пользоваться законами релятивистской механики (см. §§ 199, 200), как это и было сделано в (209.5). Решение системы уравнений (209.5) приводит после некоторых преобразований к количественному объяснению соотношения для эффекта Комптона (209.4), установленного ранее экспериментальным путем (см. упражнение 19 в конце главы). В дальнейшем в опытах с квантами очень высоких энергий было обнаружено комптоновское рассеяние не только при взаимодействиях с электронами, но и с другими частицами, например с протонами и нейтронами. Таким образом, в этих экспериментах непосредственно установлено, что фотон ведет себя как элементарная частица не только в явлениях фотоэффекта и при излучении, но и в процессах взаимодействия с электронами и другими частицами. Последующие опыты подтвердили представления о том, что фотон — это некоторая частица. Были найдены процессы, в которых фотон при взаимодействии с атомными ядрами исчезает, а вместо него образуется пара элементарных частиц: электрон и позитрон (частица, имеющая массу электрона и положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона), причем ядро остается при этом без изменений (см. § 223). В этих опытах было доказано, что электроны и позитроны не выделяются из ядра, ибо ядро остается неизменным, а возникают под действием света. Разлетевшиеся электрон, позитрон и ядро обладают энергиями и импульсами, которые они заимствуют у исчезнувшего фотона. Был обнаружен и обратный процесс, когда электрон и позитрон, взаимодействуя друг с другом, перестают существовать как элементарные заряженные частицы: их заряды взаимно нейтрализуются, а их энергии покоя переходят в энергию образующейся в таком процессе пары фотонов, разлетающихся со скоростью света. Как мы увидим в дальнейшем (гл. XXV), такие взаимные превращения одних частиц в другие являются очень важным и характерным их свойством, и в этом смысле фотон ничем не отличается от других микрочастиц, таких, как электроны, протоны и т. д. Наконец, следует сказать, что фотоны, как и все другие частицы, могут испытывать на себе действие гравитационного поля. Так, точные наблюдения во время полных солнечных затмений за положением звезд, свет от которых проходит вблизи Солнца, показывают, что этот свет подвергается притяжению Солнца и отклоняется от своего первоначального пути. Качественно это можно понять, если учесть, что фотоны обладают энергией hn, которой соответствует «масса движения» m=hn/c2, испытывающая гравитационное притяжение к Солнцу. Другой экспериментально наблюдавшийся очень красивый эффект состоит в том, что фотон, двигаясь в гравитационном поле, изменяет свою энергию. При этом энергия фотона W=mc2=hn при движении, например, в поле тяготения Земли, меняется, вследствие изменения его потенциальной энергии в этом поле, на величину где H — путь, который пролетает фотон вдоль направления гравитационного поля Земли. Отсюда можно заключить, что частота фотона изменяется на величину В опытах, в которых исследовалось движение фотонов, испускаемых возбужденными ядрами атома, в поле тяготения с высоты #=22,6 м до уровня поверхности Земли, удалось наблюдать изменение частоты фотонов, которое прекрасно совпало с теоретическими предсказаниями: подтвердив тем самым, что фотоны подвержены гравитационному воздействию. Таким образом, как мы смогли убедиться, рассмотрев многочисленные и разнообразные эксперименты, в ряде случаев свет надо рассматривать как поток корпускул — фотонов, обладающих свойствами, присущими другим микрочастицам. Однако для объяснения таких явлений, как интерференция и дифракция, приходится исходить из волновых свойств электромагнитного излучения. Оба аспекта природы — и волновой и корпускулярный — оказываются одинаково существенными. Поэтому для объяснения всех особенностей поведения излучения оказалось необходимым признать, что электромагнитные волны в известных условиях проявляют свойства потоков частиц. С равным правом можно высказать и обратное утверждение: частицы электромагнитного поля — фотоны — проявляют волновые свойства. Такой корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) фотонов противоречит сложившимся классическим, обособленным друг от друга представлениям о волнах и частицах. Сначала казалось, что фотоны, обладающие этими необычными свойствами, существенно отличаются от других частиц, например от электронов или протонов. Однако дальнейшее развитие физики микромира позволило установить, что корпускулярно-волновой дуализм отнюдь не является специфической особенностью фотонов, а имеет гораздо более общий характер.

7) Ла́зер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредствомвынужденного излучения), опти́ческий ква́нтовый генера́тор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую,электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения[8]. 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[9][10].

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре — это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки.

Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии[11]. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.)[12].

Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы)[9]. Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.

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. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами[12]. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости[13]. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера[14].

Спектроскопия

Современные источники лазерного излучения дают в руки экспериментаторов монохроматический свет с практически любой желаемой длиной волны. В зависимости от поставленной задачи это может быть как непрерывное излучение с чрезвычайно узким спектром, так и ультракороткие импульсы длительностью вплоть до сотен аттосекунд (1 ас = 10−18 секунды). Высокая энергия, запасенная в этих импульсах, может быть сфокусирована на исследуемый образец в пятно, сравнимое по размерам с длиной волны, что дает возможность исследовать различные нелинейные оптические эффекты. С помощью перестройки по частоте осуществляются спектроскопические исследования этих эффектов, а управление поляризацией лазерного излучения позволяет проводить когерентный контроль исследуемых процессов.

[править]Измерение расстояния до Луны

Во время полётов на Луну пилотируемыми и беспилотными аппаратами, на её поверхность было доставлено несколько специальных уголковых отражателей. С Земли при помощи телескопа посылали специально сфокусированный лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной поверхности и обратно. Основываясь на значении скорости света (которое, кстати, специально для этих исследований пришлось отдельно измерять с большой точностью), стало возможным рассчитать расстояние до Луны. Сегодня параметры орбиты Луны известны с точностью до нескольких сантиметров.

[править]Создание искусственных опорных звезд

Применение методов адаптивной оптики в наземных телескопах позволяет существенно повысить качество изображения астрономических объектов путем измерения и компенсации оптических искажений атмосферы. Для этого, в сторону наблюдения направляется мощный луч лазера. Излучение лазера рассеивается в верхних слоях атмосферы, создавая видимый с поверхности земли опорный источник света — искусственную звезду. Свет от нее, прошедший на обратном пути к земле через слои атмосферы, содержит информацию об оптических искажениях, имеющих место в данный момент времени. Измеренные таким образом атмосферные искажения компенсируются специальным корректором. Например, деформируемым зеркалом.

[править]Фотохимия

Некоторые типы лазеров могут производить сверхкороткие световые импульсы, измеряемые пико- и фемтосекундами (10−12 — 10−15 с). Такие импульсы можно применять для запуска и анализа химических реакций. Сверхкороткие импульсы могут использоваться для исследования химических реакций с высокой разрешающей способностью по времени, позволяя достоверно выделять короткоживущие соединения. Манипуляция поляризацией импульса позволяет селективно выбирать направление химической реакции из нескольких возможных (когерентный контроль). Такие методы находят своё применение в биохимии, где с их помощью исследуют образование и работу белков.

[править]Лазерное намагничивание

Сверхкороткие лазерные импульсы используются для сверхбыстрого управления магнитным состоянием среды, что является в настоящее время предметом интенсивных исследований. Уже открыто множество оптико-магнитных явлений, таких, как сверхбыстрое размагничивание за 200 фемтосекунд (2·10−13 с), тепловое перемагничивание светом и нетепловое оптическое управление намагниченностью с помощью поляризации света.

[править]Лазерное охлаждение

Викиновости по теме:

Лазеры приспособили для непосредственного охлаждения молекул

Первые опыты по лазерному охлаждению были проведены с ионами в ионных ловушках, ионы удерживались в пространстве ловушки с помощью электрического поля и/или магнитного поля. Эти ионы освещались лазерным пучком, и благодаря неупругому взаимодействию с фотонами теряли энергию после каждого соударения. Этот эффект используется для достижения сверхнизких температур.

В дальнейшем, в процессе совершенствования лазеров, нашли и другие методы, такие как антистоксово охлаждение твёрдых тел — наиболее практичный метод лазерного охлаждения на сегодня. Этот метод основан на том, что возбуждается атом не с основного электронного состояния, а с колебательных уровней этого состояния (с чуть большей энергией чем энергия основного состояния) на колебательные уровни возбуждённого состояния (с энергией чуть меньше чем энергия этого возбуждённого состояния). Далее атом безызлучательным образом переходит на возбуждённый уровень (поглощая фононы) и испускает фотон при переходе с возбуждённого электронного уровня на основной (этот фотон обладает большей энергией чем фотон накачки). Атом поглощает фонон и цикл повторяется.

Уже существуют системы, способные охлаждать кристалл от азотных до гелиевых температур. Этот метод охлаждения идеален для космических аппаратов, где нет возможности ставить традиционную систему охлаждения.

[править]Термоядерный синтез

Один из способов решить проблему удержания нагретой плазмы в ядерном реакторе может заключаться в использовании лазеров. При этом небольшой объём топлива облучается мощным лазерным излучением (иногда лазерное излучение предварительно трансформируется в рентгеновское) со всех сторон в течение небольшого (порядка нескольких наносекунд) промежутка времени. В результате облучения поверхность мишени испаряется, оказывая огромное давление на внутренние слои. Это давление сжимает мишень до сверхвысоких плотностей. В сжатой мишени могут протекать термоядерные реакции при достижении определённой температуры. Нагрев возможен как непосредственно силами давления, так и с использование дополнительного сверхмощного и сверхкороткого (порядка нескольких фемтосекунд) лазерного импульса.

[править]Оптический (лазерный) пинцет

Оптический пинцет — прибор, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света (обычно испускаемого лазерным диодом). Он позволяет прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до наноньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров. В последние годы оптические пинцеты начали использоваться для изучения структуры и принципа работы белков.

[править]Вооружения

[править]Лазерное оружие

Основная статья: Лазерное оружие

С середины 50-х годов XX века в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Среди прочих были реализованы программы «Терра» и «Омега». Испытания лазеров осуществлялись на полигоне Сары-Шаган (ПВО, ПРО, ПКО, СККП, СПРН) в Казахстане. После распада Советского Союза работы на полигоне Сары-Шаган были остановлены.

В середине марта 2009 года американская корпорация Northrop Grumman объявила о создании твердотельного электрического лазера мощностью около 100 квт. Разработка данного устройства была произведена в рамках программы по созданию эффективного мобильного лазерного комплекса, предназначенного для борьбы с наземными и воздушными целями.[1]

[править]«Звездные войны»

[править]Целеуказатели

Лазерный целеуказатель

[править]Лазерный прицел

Основная статья: Лазерный целеуказатель

Револьвер, оснащённый лазерным прицелом.

В большинстве военных применений лазер используется для облегчения прицеливания с помощью какого-нибудь оружия. Например, лазерный прицел — это маленький лазер, обычно работающий в видимом диапазоне и прикреплённый к стволу пистолета или винтовки так, что его луч параллелен стволу. Благодаря слабой расходимости лазерного луча, даже на больших расстояниях прицел даёт маленькое пятнышко. Человек просто наводит это пятно на цель и таким образом видит, куда именно направлен его ствол.

Большинство лазеров используют красный лазерный диод. Некоторые используют инфракрасный диод, чтобы получить пятно, не видимое невооруженным глазом, но различимое приборами ночного видения. В 2007 году компания Lasermax, специализирующаяся на выпуске лазеров для военных целей, объявила о начале первого массового производства зелёных лазеров, доступных для стрелкового оружия.[2] Предполагается, что зеленый лазер будет лучше, чем красный, видим в условиях яркого света по причине более высокой чувствительности сетчатки человеческого глаза к зеленой области спектра.

[править]Системы обнаружения снайперов

Принцип данных систем основывается на том, что луч, проходя через линзы, будет отражаться от какого-либо светочувствительного объекта (оптические преобразователи, сетчатка глаза и т. д.).

Как преимущество — подобные системы являются активными, то есть обнаруживают снайперов до выстрела, а не после. С другой стороны эти системы демаскируют себя, так как являются излучателями.

Такие системы выпускаются как в России[3], так и в других странах.

[править]Постановка помех снайперам

Возможна постановка помех путем «сканирования» лазерным лучом местности, не позволяя вражеским снайперам вести прицельную стрельбу или даже наблюдение в оптические приборы.[4]

[править]Введение противника в заблуждение

В данном случае подразумевается «несмертельное» вооружение, главное назначение которого — предотвратить нападение со стороны противника. Устройство создаёт лазерный луч небольшой мощности, направляемый в сторону противника (в основном, эта технология используется против авиации и танков). Противник полагает, что на него нацелено высокоточное оружие, он вынужден спрятаться или отступить вместо нанесения собственного удара.

[править]Дальномеры

Основная статья: Лазерный дальномер

Лазерный дальномер — устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения. Измерив время, за которое луч преодолевает путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Лазерный дальномер — простейший вариант лидара. Значение расстояния до цели может использоваться для наведения оружия, например танковой пушки.

[править]Лазерное наведение

Другое военное применение лазеров — оружейные системы наведения. Такие системы представляют собой лазер небольшой мощности, «подсвечивающий» цель для боеприпасов с лазерным наведением — «умных» бомб или ракет, запускаемых с самолёта. Ракета автоматически меняет свой полет, ориентируясь на отраженное пятно лазерного луча на цели, обеспечивая таким образом высокую точность попадания. Лазерный излучатель может находиться как на самом самолёте, так и на земле. В устройствах лазерного наведения обычно используются инфракрасные лазеры, так как их работу проще скрыть от противника.

[править]Лазерное стрелковое оружие (потенциально)

Первым военным применением лазеров, которое всем приходит на ум, обычно становится использование их в конструкции лазерного стрелкового оружия, способного уничтожать пехоту, танки и даже самолёты. На практике такие идеи сразу наталкиваются на серьёзное препятствие — при современном уровне технологий лазер, способный нанести повреждение человеку (с учётом источника питания) окажется слишком тяжёлым для переноски в одиночку, а устройство, обладающее достаточной мощностью для выведения из строя танка, будет крайне громоздким и чувствительным к вибрациям устройством, что сделает невозможным его полевое применение. В первую очередь это объясняется чрезвычайно низким КПД лазера: для получения достаточного (для повреждения цели) количества излучаемой энергии, необходимо затратить в десятки (иногда сотни) раз больше энергии для накачки рабочего тела лазера. В частности, для нанесения повреждения, аналогичного удару пули тридцатого калибра (в энергетическом соотношении) требуется лазерный импульс мощностью около 5 килоджоулей; 1,6 килоджоуль будет эквивалентен 9-мм пуле соответственно. Лучевой импульс продолжительностью в секунду, таким образом, должен иметь мощность 1600 ватт. При этом следует учесть указанный выше фактор низкого КПД лазера, соответственно, источник питания должен выдать мощность минимум в десять раз большую (в лучшем случае). Именно масса источников энергии для накачки, в значительной степени, определит тяжесть подобного оружия. На настоящее время портативных источников энергии с такой плотностью энергии не существует. Следует также отметить, что неизлучённый в лазерном импульсе остаток энергии выделится в виде тепла в конструкции оружия, что потребует весьма эффективной и тяжёлой системы охлаждения для сброса тепла. А потребное время остывания, в свою очередь, чрезвычайно уменьшит скорострельность оружия. Оговоримся, что проблема теплоотвода отчасти решена в лазерах с химической накачкой (в частности, кислородно-йодном и дейтерий-фторном лазерах большой мощности, выдающих мегаватты в секундном импульсе), где отработанные химические компоненты выбрасываются из системы после имульса, унося тепло. В то же время, излучателю требуется большой запас этих, зачастую агрессивных, реагентов и соответствующие ёмкости для хранения.

Остаётся только возможность использования лазера для ослепления противника, потому что для этой цели нужны лазеры совсем небольшой мощности, которые можно сделать портативными. В настоящее время использование таких устройств запрещено международными правилами ведения войн.[источник не указан 1012 дней] Тем не менее, лазеры малой мощности, в том числе лазерные указки, ограниченно используются для ослепления снайперов противника и выявления скрытых огневых точек.

[править]Промышленность

Поверхность исследуемой мишени мгновенно испаряется и вспыхивает при облучении мощным длительным импульсом углекислотного лазера, излучая десятки киловатт инфракрасного излучения. Обратите внимание, что оператор стоит за листами плексигласа, непрозрачного в инфракрасном свете

Поверхностная лазерная обработка

Лазерная термообработка

Лазерная закалка (термоупрочнение) — применяется для повышения срока службы различных изделий, которые в процессе работы подвергаются износу. Сущность процесса лазерной закалки заключается в том, что локальный участок поверхности изделия нагревают с помощью излучения до сверхкритических температур. Нагрев металла осуществляется передачей энергии лазерного излучения вглубь материала, используя его теплопроводность. После прекращения действия излучения этот участок охлаждается за счёт отвода теплоты во внутренние слои металла. Высокая скорость охлаждения приводит к образованию в сплавах закалочных структур, характерных только лазерной обработки.

Лазерный отжиг — в отличие от лазерной закалки, преследует цель получения более равновесной структуры (по сравнению с исходным состоянием), обладающей большей пластичностью и меньшей твердостью. Указанный метод широко используется в микроэлектронике для отжига дефектов в полупроводниках. Лазерным лучом можно отжигать мелкие металлические детали.

Лазерный отпуск — применяется при необходимости локального увеличения пластичности или ударной вязкости, например, в местах соединения различных деталей. Сталь после лазерного отпуска имеет большую прочность, твердость, ударную вязкость, чем после традиционной технологии отпуска.

Лазерная очистка, в том числе лазерная дезактивация — используется для удаления разного рода загрязнений с поверхности предмета. Основные направления лазерной очистки: очистка произведений искусства и памятников; очистка металлов в рамках технологических процессов производства; очистка поверхности от радиоактивного загрязнения (лазерная дезактивация); микроочистка в различных отраслях электроники[5].

Лазерное оплавление

Оплавление для улучшения качества поверхности

Аморфизация поверхности сплава в условиях скоростного облучения (очень коротким импульсом или сканирующим лучом). Сверхвысокие скорости теплоотвода, достигаемые при этом, обеспечивают своеобразное «замораживание» расплава, образование металлических стекол (метгласса) или аморфного состояния поверхностного слоя. В результате достигаются высокая твердость, коррозионная стойкость, улучшенные магнитные характеристики и другие специфические свойства материала. Процесс лазерной аморфизации можно осуществить при обработке сплавов специальных составов (в том числе и на основе железа), а также других материалов, предварительно покрытых специальными составами, которые самостоятельно или совместно с матричным материалом склонны к аморфизации.

Получение поверхностных покрытий

Лазерное легирование сталей с последующей термической обработкой значительно повышает микротвердость и стабильность структуры поверхности и может во много раз уменьшить интенсивность износа.

Лазерная наплавка — уникальный метод нанесения износостойких поверхностных слоев без поводок и короблений. Лазерное восстановление может широко использоваться в ремонтном производстве для восстановления прецизионных деталей, там, где требуется повышенная твердость и износостойкость слоя, надежность и долговечность (клапана ДВС, распредвалы, полуоси, штоки, коленчатые валы, крестовины, детали трансмиссий и др.). В отличие от напыления при лазерной наплавке создается монолитный бездефектный слой, который имеет металлургическую связь с основой.

Вакуумно-лазерное напыление заключается в испарении материала участка поверхности под воздействием лазерного излучения в вакууме и конденсировании испарившихся продуктов на подложке, в результате образуется поверхностный слой с химическим составом, отличным от основного металла.

Ударное воздействие лазерного излучения может использоваться для упрочнения поверхности и для инициирования физико-химических процессов, например, для формирования р-n — переходов в полупроводниковых материалах.

Ударное упрочнение

Инициирование физико-химических процессов

Инициирование поверхностных химических реакций на поверхности сплавов с помощью теплового воздействия лазерного излучения или с использованием плазменного облака вблизи поверхности преследует цель окисления или восстановления отдельных компонентов сплава или получения специальных соединений.

Лазерная сварка в настоящее время является наиболее перспективной технологией для промышленного использования в связи с разработкой мощных лазеров с непрерывным и импульсно-периодическим действием. Сварное соединение получается при нагревании и расплавлении лазерным лучом участков в месте контакта свариваемых деталей. Когда лазерный луч смещается, то же самое происходит и с зоной расплавленного материала. Затем при остывании образуется сварной шов. По форме он получается узким и глубоким, принципиально отличается от сварных швов, полученных при использовании традиционной технологии сварки. Глубина проплавления зависит от мощности лазера, а поперечное сечение лазерного шва похоже на лезвие кинжала, поэтому глубокое лазерное проплавление иногда называют кинжальным. Лазерная сварка с глубоким проплавлением позволяет сваривать толстые слои материалов с большой скоростью при минимальном тепловом воздействии на материал, прилегающий к зоне расплава, что улучшает свойства сварного шва и качество сварного соединения.

Лазерное разделение материалов

Лазерная резка — сфокусированный лазерный луч обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств. При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. Лазерная резка отличается отсутствием механического воздействия на обрабатываемый материал, возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания.

Газолазерная резка -принцип работы газолазерной резки: в зону реза подают луч лазера и технологический газ в виде кольцевой или отдельных сверхзвуковых расчетных струй, векторы скорости которых в их критическом сечении направлены под углом к оси лазерного луча, близким к половине апертурного. Струи технологического газа подают в ограниченный объем, в котором они разворачиваются в волнах сжатия и разрежения до направления векторов скорости параллельно оси лазерного луча, после чего слившуюся сверхзвуковую струю направляют соответственно лазерному лучу в зону реза, при этом число Маха М на участке струи в ограниченном объеме поддерживают в пределах Mi ≥ M > 1, где Мі — расчетное число Маха для требуемого технологическим процессом отношения давлений технологического газа. Характерно, что газолазерная резка эффективна не только для раскроя хрупких, мягких и нетеплостойких материалов (стекло, резина, ткани), исключая механическое воздействие па них; она обеспечивает обработку и самых твердых и тугоплавких материалов, поддающихся только алмазному инструменту.

Термораскалывание — этот вид лазерной резки применяется для изготовления различных стеклянных изделий. Лазерное термораскалывание характеризуется неоднородностью нагрева стекла с помощью лазерного луча, охлаждаемого струёй инертного газа. Это приводит к появлению трещины, управлять которой можно, перемещая источник нагрева по поверхности стекла.

Скрайбирование — одно из первых и наиболее популярных применений лазера в технологическом оборудовании для электронной промышленности. Лазерное скрайбрирование пластин из кремния, арсенида галлия и других материалов с нанесенными полупроводниковыми структурами выполняется для последующего разделения пластины на отдельные элементы по линии надреза. Глубина риски, полученной пучком сфокусированного лазерного излучения, составляет 40… 125 мкм, а ширина 20…40 мкм при толщине пластины 150… 300 мкм. Скорость скрайбирования 10… 250 мм/с. лазерное скрайбирование по сравнению с обычным скрайбированнем алмазным резцом обеспечивает значительно большую точность разделения пластин и способствует повышению выхода годных изделий.

Лазерная размерная обработка

Лазерная маркировка и гравировка — В настоящее время лазерная маркировка и гравировка применяются практически во всех отраслях промышленного производства для идентификационного и защитного кодирования промышленных образцов, нанесения надписей на приборные панели, измерительный инструмент, клавиатурные поля, изготовление табличек и шильдов; в рекламном бизнесе — для художественной отделки сувениров и изготовления ювелирных изделий. Достоинства гравировки и маркировки лазерным излучением: миниатюрность наносимой информации; отсутствие механического воздействия на изделие, что позволяет маркировать тонкостенные, хрупкие детали, а также узлы и изделия в сборе; высокая точность и качество нанесения знаков, что гарантирует надежность и стабильность их считывания; высокая производительность; возможность полной автоматизации.

Лазерная обработка отверстий

Фотолитография

Экологический мониторинг;

[править]Медицина

В 1960-х годах были выполнены первые исследования в отношении использования лазеров в медицине. Они проходили в клиниках ММА им. И. М. Сеченова, ЦИТО, ЦНИИ курортологии и физиотерапии, разработчиком первых в СССР лазерных медицинских установок было Научно-производственное предприятие «Исток» (Фрязино, Московская область). Изучались возможности применения в клинической практике гелий-неоновых лазеров с длиной волны 0,63 мкм. Была доказана целесообразность применения гелий-неоновых лазеров в лечебных целях и в 1972 году было получено разрешение Минздрава СССР на применение излучения гелий-неонового лазера малой мощности в терапии.[6]

Работы по применению лазеров в хирургии в СССР начались в 1965 году в МНИОИ им. П. А. Герцена (рук. работ профессор С. Д. Плетнёв) совместно с НПП «Исток» (рук. работ академик АН СССР Н. Д. Девятков и В. П. Беляев). Использовался высокоэнергетические С02 лазеры с длинной волны 10,6 мкм. По результатам этих работ в НПП «Исток» было создано несколько модификаций лазерных хирургических установок, которые были переданы в клиники и использовались при проводении хирургических операций.[6]

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.

Для того чтобы лазерное излучение оказало какое-либо действие, надо, чтобы ткань его поглощала. Самый популярный лазер в хирургии — углекислотный. Другие лазеры монохроматичны, то есть нагревают, разрушают или сваривают только некоторые биологические ткани с вполне определенной окраской. Например, луч аргонового лазера свободно проходит через матовое стекловидное тело и отдает свою энергию сетчатке, цвет которой близок к красному.

Углекислотный лазер пригоден в большинстве случаев, например когда нужно рассечь или приварить друг к другу ткани разного цвета. Однако при этом возникает другая проблема. Ткани насыщены кровью и лимфой, содержат много воды, а излучение лазера в воде теряет энергию. Увеличить энергию лазерного луча можно, но это может привести к прожигу тканей. Создателям хирургических лазеров приходится прибегать к всевозможным уловкам, что сильно удорожает аппаратуру.

Специалистам по сварке металлов давно известно, что при резке пакета тонких металлических листов необходимо, чтобы они плотно прилегали друг к другу, а при точечной контактной сварке для тесного контакта свариваемых деталей необходимо дополнительное давление.

Этот метод был использован и в хирургии: профессор О. И. Скобелкин и его соавторы предложили при сварке тканей слегка их сдавливать, чтобы вытеснить кровь. Для осуществления нового способа был создан целый набор инструментов, который применяется сегодня в желудочно-кишечной хирургии, при операциях на желчных путях, селезенке, печени, легких.

Косметическая хирургия;

Коррекция зрения;

Хирургия (Гинекология, урология, лапароскопия);

Стоматология

Диагностика заболеваний

Удаление опухолей, особенно мозга и спинного мозга

[править]В связи и информационных технологиях

Хранение информации на оптических носителях (компакт-диск, DVD и т.д.);

Оптическая связь;

Оптические компьютеры

Голография, Лазерные дисплеи;

Лазерные принтеры, Цифровые минилабы;

Считыватели штрих-кодов;

8Почти 90 % из 2500 известных атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью. У больших ядер нестабильность возникает вследствие конкуренции между притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов. Стабильных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом A > 209 не существует. Но радиоактивными могут оказаться и ядра атомов с существенно меньшими значениями чисел Z и A. Если ядро содержит значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность обуславливается избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра, которые содержат избыток нейтронов, оказываются нестабильными вследствие того, что масса нейтрона превышает массу протона. Увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским физиком А. Беккерелем, который обнаружил, что соли урана испускают неизвестное излучение, способное проникать через непрозрачные для света преграды и вызывать почернение фотоэмульсии. Через два года французские физики М. и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний   и радий 

В последующие годы исследованием природы радиоактивных излучений занимались многие физики, в том числе Э. Резерфорд и его ученики. Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями. На рис. 6.7.1 изображена схема эксперимента, позволяющая обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. В магнитном поле α- и β-лучи испытывают отклонения в противоположные стороны, причем β-лучи отклоняются значительно больше. γ-лучи в магнитном поле вообще не отклоняются.

Рисунок 6.7.1. Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка,   – магнитное поле

Эти три вида радиоактивных излучений сильно отличаются друг от друга по способности ионизировать атомы вещества и, следовательно, по проникающей способности. Наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение. В воздухе при нормальных условиях α-лучи проходят путь в несколько сантиметров. β-лучи гораздо меньше поглощаются веществом. Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи, способные проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.

Во втором десятилетии XX века, после открытия Э. Резерфордом ядерного строения атомов было твердо установлено, что радиоактивность – это свойство атомных ядер. Исследования показали, что α-лучи представляют поток α-частиц – ядер гелия  , β-лучи – это поток электронов, γ-лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны λ < 10^–10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц – γ-квантов.

Альфа-распад. Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z – 2 и нейтронов N – 2. При этом испускается α-частица – ядро атома гелия  . Примером такого процесса может служить α-распад радия: 

Альфа-частицы, испускаемые ядрами атомов радия, использовались Резерфордом в опытах по рассеянию на ядрах тяжелых элементов. Скорость α-частиц, испускаемых при α-распаде ядер радия, измеренная по кривизне траектории в магнитном поле, приблизительно равна 1,5·10⁷ м/с, а соответствующая кинетическая энергия около 7,5·10^–13 Дж(приблизительно 4,8 МэВ). Эта величина легко может быть определена по известным значениям масс материнского и дочернего ядер и ядра гелия. Хотя скорость вылетающейα-частицы огромна, но она все же составляет только 5 % от скорости света, поэтому при расчете можно пользоваться нерелятивистским выражением для кинетической энергии.

Исследования показали, что радиоактивное вещество может испускать α-частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Это объясняется тем, что ядра могут находиться, подобно атомам, в разных возбужденных состояниях. В одном из таких возбужденных состояний может оказаться дочернее ядро при α-распаде. При последующем переходе этого ядра в основное состояние испускается γ-квант. Схема α-распада радия с испусканием α-частиц с двумя значениями кинетических энергий приведена на рис. 6.7.2.

Рисунок 6.7.2. Энергетическая диаграмма α-распада ядер радия. Указано возбужденное состояние ядра радона   Переход из возбужденного состояния ядра радона в основное сопровождается излучением γ-кванта с энергией 0,186 МэВ

Таким образом, α-распад ядер во многих случаях сопровождается γ-излучением.

В теории α-распада предполагается, что внутри ядер могут образовываться группы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, т. е. α-частица. Материнское ядро является для α-частиц потенциальной ямой, которая ограничена потенциальным барьером. Энергия α-частицы в ядре недостаточна для преодоления этого барьера (рис. 6.7.3). Вылетα-частицы из ядра оказывается возможным только благодаря квантово-механическому явлению, которое называется туннельным эффектом. Согласно квантовой механике, существуют отличная от нуля вероятность прохождения частицы под потенциальным барьером. Явление туннелирования имеет вероятностный характер.

Рисунок 6.7.3. Туннелирование α-частицы сквозь потенциальный барьер

Бета-распад. При бета-распаде из ядра вылетает электрон. Внутри ядер электроны существовать не могут (см. § 6.5), они возникают при β-распаде в результате превращения нейтрона в протон. Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со свободными нейтронами. Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 минут. При распаде нейтрон   превращается в протон   и электрон 

Измерения показали, что в этом процессе наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, так как суммарная энергия протона и электрона, возникающих при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 году В. Паули высказал предположение, что при распаде нейтрона выделяется еще одна частица с нулевыми значениями массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии. Новая частица получила название нейтрино (маленький нейтрон). Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частица очень слабо взаимодействует с атомами вещества, поэтому ее чрезвычайно трудно обнаружить в эксперименте. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути. Эта частица была обнаружена лишь в 1953 г. В настоящее время известно, что существует несколько разновидностей нейтрино. В процессе распада нейтрона возникает частица, которая называется электронным антинейтрино. Она обозначается символом   Поэтому реакция распада нейтрона записывается в виде 

Аналогичный процесс происходит и внутри ядер при β-распаде. Электрон, образующийся в результате распада одного из ядерных нейтронов, немедленно выбрасывается из «родительского дома» (ядра) с огромной скоростью, которая может отличаться от скорости света лишь на доли процента. Так как распределение энергии, выделяющейся при β-распаде, между электроном, нейтрино и дочерним ядром носит случайный характер, β-электроны могут иметь различные скорости в широком интервале значений.

При β-распаде зарядовое число Z увеличивается на единицу, а массовое число A остается неизменным. Дочернее ядро оказывается ядром одного из изотопов элемента, порядковый номер которого в таблице Менделеева на единицу превышает порядковый номер исходного ядра. Типичным примером β-распада может служить превращение изотона тория   возникающего при α-распаде урана   в палладий 

Наряду с электронным β-распадом обнаружен так называемый позитронный β⁺-распад, при котором из ядра вылетают позитрон   и нейтрино  . Позитрон – это частица-двойник электрона, отличающаяся от него только знаком заряда. Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П. Дираком в 1928 г. Через несколько лет позитрон был обнаружен в составе космических лучей. Позитроны возникают в результате реакции превращения протона в нейтрон по следующей схеме: 

Гамма-распад. В отличие от α- и β-радиоактивности, γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.

Закон радиоактивного распада. В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий, то закон убывания количества N (t) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.

Пусть за малый промежуток времени Δt количество нераспавшихся ядер N (t) изменилось на ΔN < 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N (t) и промежутку времени Δt: 

ΔN = –λN (t) Δt.

Коэффициент пропорциональности λ – это вероятность распада ядра за время Δt = 1 с. Эта формула означает, что скорость   изменения функции N (t) прямо пропорциональна самой функции. 

Подобная зависимость возникает во многих физических задачах (например, при разряде конденсатора через резистор). Решение этого уравнения приводит к экспоненциальному закону: 

N (t) = N0 e–λt,

где N₀ – начальное число радиоактивных ядер при t = 0. За время τ = 1 / λ количество нераспавшихся ядер уменьшится в e ≈ 2,7 раза. Величину τ называют средним временем жизни радиоактивного ядра.

Для практического использования закон радиоактивного распада удобно записать в другом виде, используя в качестве основания число 2, а не e: 

N (t) = N0 · 2–t/T.

Величина T называется периодом полураспада. За время T распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер. Величины T и τ связаны соотношением 

Рис. 6.7.4 иллюстрирует закон радиоактивного распада.

Рисунок 6.7.4. Закон радиоактивного распада

Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость процесса. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад. Так, для уранаT ≈ 4,5 млрд лет, а для радия T ≈ 1600 лет. Поэтому активность радия значительно выше, чем урана. Существуют радиоактивные элементы с периодом полураспада в доли секунды.

При α- и β-радиоактивном распаде дочернее ядро также может оказаться нестабильным. Поэтому возможны серии последовательных радиоактивных распадов, которые заканчиваются образованием стабильных ядер. В природе существует несколько таких серий. Наиболее длинной является серия   состоящая из 14 последовательных распадов (8 α-распадов и 6 β-распадов). Эта серия заканчивается стабильным изотопом свинца   (рис. 6.7.5).

Рисунок 6.7.5. Схема распада радиоактивной серии   Указаны периоды полураспада

В природе существуют еще несколько радиоактивных серий, аналогичных серии  . Известна также серия, которая начинается с нептуния   не обнаруженного в естественных условиях, и заканчивается на висмуте   Эта серия радиоактивных распадов возникает в ядерных реакторах.

Интересным применением радиоактивности является метод датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее часто используется радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода   возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом   Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После гибели растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в результате β-распада постепенно превращается в азот   с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода   в останках древних организмов можно определить время их гибели.

Радиоактивное излучение всех видов (альфа, бета, гамма, нейтроны), а также электромагнитная радиация (рентгеновское излучение) оказывают очень сильное биологическое воздействие на живые организмы, которое заключается в процессах возбуждения и ионизации атомов и молекул, входящих в состав живых клеток. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и клеточные структуры, что приводит к лучевому поражению организма. Поэтому при работе с любым источником радиации необходимо принимать все меры радиационной защиты людей, которые могут попасть в зону действия излучения.

Однако человек может подвергаться действию ионизирующей радиации и в бытовых условиях. Серьезную опасность для здоровья человека может представлять инертный, бесцветный, радиоактивный газ радон   Как видно из схемы, изображенной на рис. 6.7.5, радон является продуктом α-распада радия и имеет период полураспадаT = 3,82 сут. Радий в небольших количествах содержится в почве, в камнях, в различных строительных конструкциях. Несмотря на сравнительно небольшое время жизни, концентрация радона непрерывно восполняется за счет новых распадов ядер радия, поэтому радон может накапливаться в закрытых помещениях. Попадая в легкие, радон испускает α-частицы и превращается в полоний   который не является химически инертным веществом. Далее следует цепь радиоактивных превращений серии урана (рис. 6.7.5). По данным Американской комиссии радиационной безопасности и контроля, человек в среднем получает 55 % ионизирующей радиации за счет радона и только 11 % за счет медицинских процедур. Вклад космических лучей составляет примерно 8 %. Общая доза облучения, которую получает человек за жизнь, во много раз меньшепредельно допустимой дозы (ПДД), которая устанавливается для людей некоторых профессий, подвергающихся дополнительному облучению ионизирующей радиацией.