Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
hv = Ец — Е\,
роўная рознасці энергій паміж узроўнямі 2 і /. На рысунку 169, a схематычна паказаны няўзбуджаны атам і электрамагнітная хваля ў выглядзе адрэзка сінусоіды. Электрон знаходзіцца на ніжнім узроўні. На рысунку 169, б паказаны ўзбуджаны атам, які паглынуў энергію. Узбуджаны атам можа аддаць сваю энергію суседнім атамам пры сутыкненні або выпраменіць фатон у любым напрамку.
Цяпер уявім сабе, што якімнебудзь спосабам мы ўзбудзілі большую частку атамаў асяроддзя. Тады пры праходжанні праз рэчыва электрамагнітнай хвалі з частатой
£2 £і
гэта хваля будзе не аслабляцца, а, наадварот, узмацняцца за кошт індуцыраванага выпраменьвання. Пад яе ўздзеяннем атамы ўзгоднена пераходзяць у ніжэйшыя энергетычныя станы, выпраменьваючы хвалі, якія супадаюць па частаце і фазе з падаючай хваляй. На рысунку 170, а паказаны ўзбуджаны атам і хваля, а на рысунку 170, б схематычна паказана, што атам перайшоў у асноўны стан, а хваля ўзмацнілася.
Трохузроўневая сістэма. Існуюць розныя метады атрымання асяроддзя з узбуджанымі станамі атамаў. У рубінавым лазеры для гэтага выкарыстоўваецца спецыяльная магутная лямпа. Атамы ўзбуджаюцца за«кошт паглынання святла.
208
Але двух узроўняў энергіі для работы J лазера недастаткова. Якім бы магутным ні было святло лямпы, лік узбуджаных атамаў не будзе большы за лік няўзбуджаных, бо святло адначасова і ўзбуджае атамы, і выклікае індуцыраваныя пераходы з верхняга ўзроўню на ніжні.
Выхад быў знойдзены ў выкарыстанні трох энергетычных узроўняў (агульны лік узроўняў заўсёды вялікі, але гаворка ідзе аб «працуючых» узроўнях). На рысунку 171 у паказаны тры энергетычныя ўзроўні. Істотна, што пры адсутнасці знешняга ўздзеяння р час, на працягу якога атамная сістэма знаходзіцца ў розных энергетычных станах («час жыцця»), неаднолькавы. На ўзроўні 3 сістэма жыве вельмі мала, парадку 10 * с, пасля чаго самаадвольна пераходзіць у стан 2 без выпраменьвання святла. (Энергія пры гэтым перадаецца крышталічнай рашотцы.) «Час жыцця» ў стане 2 у 100 000 разоў большы, г. зн. складае каля 103 с. Пераход са стану 2 ў стан / пад дзеяннем знешняй электрамагнітнай хвалі суправаджаецца выпраменьваннем. Гэта выкарыстоўваецца ў лазерах. Пасля ўспышкі магутнай лямпы сістэма пераходзіць у стан 3 і праз прамежак часу каля 10—8 с аказваецца ў стане 2, у якім жыве параўнальна доўга. Такім чынам і ствараецца «перанаселенасць» узбуджанага ўзроўню 2 у параўнанні з няўзбуджаным узроўнем /.
Неабходныя энергетычныя ўзроўні ёсць у крышталях рубіну. Рубін — гэта яркачырвоны крышталь аксіду алюмінію АЬОз з'прымессю атамаў хрому (каля 0,05%). Менавіта ўзроўні іонаў хрому ў крышталі валодаюць патрабуемымі ўласцівасцямі.
Будова рубінавага лазера. 3 крышталя рубіну вырабляецца стрыжань з плоскапаралельнымі тарцамі. Газаразрадная лямпа, якая мае форму спіралі (рыс. 172), дае сінезялёнае святло. Кароткачасовы імпульс току ад батарэі кандэнсатараў ёмістасцю ў некалькі тысяч мікрафарад выклікае яркую ўспышку лямпы. Праз малы час энергетычны ўзровень 2 становіцца «перанасе
леным».
У выніку самаадвольных пераходаў 2^1 пачынаюць выпраменьвацца хвалі разнастайных напрамкаў. Тыя з іх, якія ідуць пад вуглом да восі крышталя, выходзяць з яго і не адыгрываюць у далейшых працэсах ніякай ролі. Але хваля, якая ідзе ўздоўж 'восі крышталя, шматкратна адбіваецца ад яго тарцоў. Яна выклі
кае індуцыраванае выпраменьванне ўзбуджаных іонаў хрому і хутка ўзмацняецца.
Адзін з тарцоў рубінавага стрыжня робяць люстраным, а другі — паўпразрыстым. Праз яго выходзіць магутны кароткачасовы (працягласцю каля сот
Рыс. 172
209
ні мікрасекунд) імпульс чырвонага святла, які валодае тымі фенаменальнымі ўласцівасцямі, пра якія было расказана ў пачатку параграфа. Хваля з’яўляецца кагерэнтнай, таму што ўсе атамы выпраменьваюць узгоднена, і вельмі магутнай, паколькі пры індуцыраваным выпраменьванні ўся назапашаная энергія вылучаецца за вельмі кароткі час.
Іншыя тыпы лазераў. Рубінавы лазер, з якім мы пазнаёміліся, працуе ў імпульсным рэжыме. Існуюць таксама лазеры бесперапыннага дзеяння.
У газавых лазерах гэтага тыпу рабочым рэчывам з’яўляецца газ. Атамы рабочага рэчыва ўзбуджаюцца электрычным разрадам.
Прымяняюцца і паўправадніковыя лазеры бесперапыннага дзеяння. Яны створаны ўпершыню ў нашай краіне. У іх энергія для выпраменьвання запазычваецца ад электрычнага току.
Створаны вельмі магутныя газадынамічныя лазеры бесперапыннага дзеяння на сотні кілават. У гэтых лазерах «перанаселенасш » верхніх энергетычных узроўняў ствараецца пры расшырэнні і адыябатным ахаладжэнні звышгукавых газавых патокаў, нагрэтых да некалькіх тысяч кельвін.
Прымяненне лазераў. Вельмі перспектыўнае прымяненне лазернага праменя для сувязі, асабліва ў касмічнай прасторы, дзе няма паглынаючых святло воблакаў.
Велізарная магутнасць лазернага праменя выкарыстоўваецца для выпарэння матэрыялаў у вакууме, для зваркі і г. д. 3 дапамогай праменя лазера можна рабіць хірургічныя аперацыі, напрыклад «прыварваць» сятчатку, якая адслаілася ад вочнага дна; атрымліваць аб’ёмныя відарысы прадметаў, выкарыстоўваючы кагерэнтнасць лазернага праменя.
Лазеры дазволілі ажыццявіць святлолакатар, з дапамогай якога адлегласць да прадметаў вымяраецца з дакладнасцю да некалькіх міліметраў. Такая дакладнасць недаступна для радыёлакатараў.
Узбуджаючы лазерным выпраменьваннем атамы або малекулы, можна выклікаць паміж імі хімічныя рэакцыі, якія ў звычайных умовах не ідуць.
Перспектыўна выкарыстанне магутных лазерных праменяў для ажыццяўлення кіруемай тэрмаядзернай рэакцыі (гл раздзел 10).
У цяперашні час лазеры атрымалі такія разнастайныя і шматлікія прымяненні, што і пералічыць іх тут немагчыма.
Стварэнне лазера прыклад таго, як развіццё фундаментальнай навукі (квантавай тэорыі) прыводзіць да гіганцкага прагрэсу ў самых розных галінах тэхнікі і тэхналогіі.
1. Чым адрозніваецца выпраменьванне лазера ад выпраменьвання лямпы напальвання? 2. Пералічыце асноўныя прымяненні лазераў.
210
ПРАКТЫКАВАННЕ 9
1. Якія скорасць v і паскарэнне а электронаў на першай бораўскай арбіце, 4леоЛ2
радыус якой вызначаецца формулай Го = —^5—. дзе т і е адпаведна маса і зарад электрона, е = 8,85 10" 12 Кл/(Н ■ м2) — электрычная пастаянная?
2. На якую мінімальную адлегласць зблізяцца пры цэнтральным удары ачасціцы і ядро волава? Скорасць ачасціцы роўна 10 см/с, яе маса —6,7 10 ”24 г. (Ядро волава лічыць нерухомым.)
3. Вызначце даўжыню хвалі святла, якое выпраменьваецца атамам вадароду пры яго пераходзе са стацыянарнага стану з энергіяй Е4 = —1,7 эВ (fe = 4) у стан з энергіяй Е2 = —6,8 эВ (п = 2).
4. Вызначце па рысунку 168 энергію іанізацыі атама вадароду.
КАРОТКІЯ ВЫНІКІ РАЗДЗЕЛА 9'
1. Рэзерфорд, даследуючы рассейванне ачасціц рэчывам, устанавіў існаванне атамнага ядра. Дадатны зарад і амаль уся маса атама сканцэнтраваны ў атамным ядры, размеры якога складаюць 10“12 —10“13 см. (Гэта ў 10—100 тысяч разоў менш за размер атама.) Зарад атамнага ядра роўны парадкаваму нумару элемента ў перыядычнай сістэме элементаў Д. I. Мендзялеева, памножанаму на модуль зараду электрона. Ядром атама вадароду з’яўляецца пратон.
2. На аснове сваіх доследаў Рэзерфорд прапанаваў планетарную мадэль атама. Электроны ў гэтай мадэлі абарачаюцца вакол ядра, падобна да таго як планеты абарачаюцца вакол Сонца. Аднак такі атам згодна з законамі класічнай фізікі не можа быць устойлівым. Электроны павінны выпраменьваць, трацячы энергію, і ўпасці на ядро. У сапраўднасці ж усе атамы ўстойлівыя.
3. Выхад з гэтых цяжкасцей быў знойдзены Борам на шляху далейшага развіцця квантавай тэорыі. Бор прапанаваў два пастулаты, якія ідуць уразрэз з класічнай механікай Ньютана і электрадынамікай Максвела.
Першы пастулат Бора гаворыць: атамная сістэма можа знаходзіцца толькі ў асобых стацыянарных, або квантавых, станах, кожнаму з якіх адпавядае пэўная энергія Еп; у стацыянарным стане атам не выпраменьвае.
Згодна з другім пастулатам Бора, выпраменьванне або паглынанне святла адбываецца пры пераходзе атама з аднаго стацыянарнага стану ў другі. Энергія выпраменьваемага або паглынаемага фатона роўна рознасці энергій стацыянарных станаў:
hvkn — Ek Еп'
4. Тэорыя Бора давала правільныя значэнні для ўсіх частот лінейчастага спектра выпраменьвання вадароду. Акрамя таго,
1 Лік істотных пунктаў каля пяці.
211
яна дазволіла тэарэтычна вызначыць радыус атама вадароду.
Аднак тэорыя Бора не была лагічна паслядоўнай. На яе аснове не ўдалося пабудаваць колькасную тэорыю больш складаных атамаў (атама гелію і інш.). Увядзенне квантавых уяўленняў патрабавала радыкальнай перабудовы механікі і электрадынамікі. Такая перабудова была ажыццёўлена ў 20х гг. нашага стагоддзя. Былі створаны квантавая механіка і квантавая электрадынаміка.
5. На аснове квантавай тэорыі выпраменьвання былі пабудаваны квантавыя генератары радыёхваль і квантавыя генератары бачнага святла — лазеры. Лазеры ствараюць кагерэнтнае выпраменьванне вельмі вялікай магутнасці. Выпраменьванне лазераў знаходзіць вельмі шырокае прымяненне ў розных галінах навукі і тэхнікі.
Раздзел 10
ФІЗІКА АТАМНАГА ЯДРА
Словы атамнае ядро і элементарныя часціцы ўжо неаднаразова ўпаміналіся. Вы ведаеце, што атам складаецца з ядра і электронаў. Само атамнае ядро складаецца з элементарных часціц.
Раздзел фізікі, у якім даследуюцца будова і ператварэнне атамных ядзер, называецца ядзернай фізікай.
Першапачаткова падзелу на ядзерную фізіку і фізіку элементарных часціц не было. 3 разнастайнасцю свету элементарных часціц фізікі сутыкнуліся пры вывучэнні ядзерных працэсаў. Вылучэнне фізікі элементарных часціц у самастойную галіну даследавання адбылося параўнальна нядаўна, каля 1950 г. Цяпер мы маем два самастойныя раздзелы фізікі: змест аднаго з іх складае вывучэнне атамных ядзер, а змест другога — вывучэнне прыроды, уласцівасцей і ўзаемных ператварэнняў элементарных часціц. Аднак у адносінах да разглядаемых праблем і прымяняемых метадаў даследавання ў абодвух гэтых раздзелах захавалася многа агульнага.
Большую частку часу мы прысвецім асноўным пытанням ядзернай фізікі і толькі ў канцы коратка спынімся на ўласцівасцях элементарных часціц.
КНІГІ ОНЛАЙН
