Лазеры - Атомная физика - Квантовая физика

Цель: на примере лазера показать как развитие фундаментальной науки (квантовой теории) приводит к прогрессу в самых различных областях техники.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проведение самостоятельной работы

Вариант I

1. Какая формула была выведена экспериментально Бальмером для спектра водорода?

(Ответ: )

2. Наименьший радиус орбиты электрона в невозбужденном атоме водорода r₁ = 5,28 · 10^-11 м. Определите радиус орбиты электрона в атоме водорода, когда электрон находится на третьем энергетическом уровне.

(Ответ: 4,75 · 10^-10 м.)

3. Энергия атома водорода в нормальном состоянии Е_I = -13,53 эВ. Определите энергию кванта, поглощенного атомом водорода, если электрон перешел с первого энергетического уровня на третий. Энергия электрона на n-й орбите стационарного состояния атома водорода:

(Ответ: 12,02 эВ.)

4. Определите длину волны электромагнитного излучения атома водорода при переходе электрона с пятого энергетического уровня на второй. Постоянная Ридберга R = 109737,31 см^-1.

(Ответ: 4,37-10^-7 м.)

5. Электрон, связанный с атомом, при переходе с более удаленной на менее удаленную от ядра атома орбиту в момент перехода...

(Ответ: излучает энергию.)

6. Определите минимальную энергию возбуждения атома водорода, если его энергия в нормальном состоянии E_I = -13,53 эВ.

(Ответ: 3,39 эВ.)

7. С ростом главного квантового числа n (энергетического уровня атома) энергия стационарного состояния атома ...

(Ответ: увеличивается.)

8. Электрон в атоме водорода перешел с пятого энергетического уровня на второй. Как при этом изменилась энергия атома?

(Ответ: уменьшилась.)

9. Какое утверждение было бы справедливо, если бы движение электрона в атоме подчинялось законам классической динамики? 1) При движении вокруг ядра электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны; 2) Через короткое время электрон должен упасть на ядро; 3) Частота электромагнитных волн, испускаемых атомом, должна быть равна частоте обращения электрона вокруг ядра.

(Ответ: Через короткое время электрон должен упасть на ядро.)

10. Что с точки зрения планетарной модели атома Резерфорда удерживает электроны и не позволяет им разлетаться?

(Ответ: кулоновские силы.)

Вариант II

1. Какую формулу предложил Бальмер для определения длины волны, испускаемой атомом водорода?

(Ответ: )

2. Наименьший боровский радиус орбиты электрона в невозбужденном атоме водорода r_I = 5,28 · 10^-11 м. Определите радиус орбиты электрона, когда атом водорода находится на пятом энергетическом уровне.

(Ответ: 132 · 10^-11 м.)

3. Энергия атома водорода в нормальном состоянии Е_I = -13,53 эВ. Определите энергию кванта, поглощенного атомом водорода, если электрон перешел с первого энергетического уровня на второй. Энергия электрона на n-й орбите стационарного состояния атома водорода:

(Ответ: 10,147 эВ.)

4. Определите длину волны электромагнитного излучения атома водорода при переходе электрона с четвертого энергетического уровня на второй. Постоянная Ридберга R = 10973,31 см^-1.

(Ответ: 0,49 мкм.)

5. Электрон, связанный с атомом, при переходе со второй орбиты на четвертую ...

(Ответ: поглощает энергию.)

6. Определите минимальную энергию кванта, поглощенного атомом водорода, если при этом электрон перешел с первого на третий энергетический уровень. Энергия первого энергетического уровня E_I = -13,53 эВ.

(Ответ: 12,02 эВ.)

7. Состояние атомов, соответствующее всем разрешенным энергетическим уровням, кроме низкого, называется...

(Ответ: возбужденным.)

8. Электрон в атоме водорода перешел с первого энергетического уровня на третий. Как при этом изменилась энергия атома?

(Ответ: увеличилась.)

9. Если бы движение электрона в атоме подчинялось законам классической электродинамики, то какое утверждение было бы неверным?

(Ответ: в стационарном состоянии атом энергию не излучает.)

10. Электрон и протон движутся с одинаковой скоростью. Какой из этих частиц соответствует меньшая энергия?

(Ответ: электрону.)

III. Изучение нового материала

В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным излучением понимается измерение возбужденных атомов под действием падающего на них света.

Еще в 1940 г. советский физик А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн.

В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление для создания микроволнового генератора радиоволн. За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс в 1964 г. были удостоены Нобелевской премии.

В 1960 г. Т. Г. Мейнапом в США был создан первый лазер - квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра.

Путем внешнего освещения возбужденные электроны из состояний Е₂ и Е₃ переходят в состояние Е₁, которое является рабочим состоянием лазера. Лазерное излучение может быть различного цвета.

Рубиновый лазер генерирует пучок фотонов (λ = 694 нм) рубиново-красного света.

Устройство рубинового лазера

Рубиновый стержень лазера - это цилиндр, торцы которого отполированы и покрыты слоем серебра таким образом, что один торец полностью отражает свет, а другой - частично отражает, а частично пропускает.

При вспышке лампы накаливания на рубиновый стержень падают фотоны различной частоты. В стержне возникают колебания. Атомы, поглотив часть фотонов, переходят в возбужденное состояние.

Возникает вынужденное излучение, которое распространяется строго вдоль оси стержня и усиливается при многократном отражении от зеркал. В результате возникает мощное монохроматическое излучение - пучок света, часть которого выходит через полупрозрачное зеркало. Длительность излучения пучка – 10^-3 с.

Свойства лазерного излучения

1. Малый угол расхождения пучка света.

2. Исключительная монохроматичность.

3. Самый мощный источник света 10¹⁴ Вт/с, Солнце — 7 · 10³ Вт/с.

4. КПД - около 1%.

Применение

Перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве. Огромная мощность используется для испарения материалов в вакууме, сварки. Лазерные лучи раскраивают ткани, режут стальные листы, с помощью луча лазера проводят хирургические операции, определяют расстояния с точностью до нескольких миллиметров.

Перспективно использование лазерных лучей для осуществления управления термоядерной реакцией.

В настоящее время лазеры получили весьма разнообразное применение.

IV. Закрепление изученного материала

- Что такое лазер?

- Какое измерение называют спонтанным и почему оно когерентно?

- Объясните принцип действия лазера?

- Объясните устройство рубинового лазера?

- Перечислите основные сферы применения лазеров?

Дополнительный материал

Слово «лазер» представляет собой аббревиатуру английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», переводимой как усиление света в результате вынужденного (индуцированного) излучения. Гипотеза о существовании индуцированного излучения была высказана в 1917 г. А Эйнштейном. Советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длинной волны λ = 1,27 см.

Чтобы создать лазер или оптический квантовый генератор - источник когерентного света необходимо:

1) рабочее вещество с инверсной населенностью, только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов;

2) рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь;

3) усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе, должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.

Первым квантовым генератором был рубиновый твердотельный лазер. Также были созданы: газовые, полупроводниковые, жидкостные, газодинамические, кольцевые (бегущей волны).

Лазеры нашли широкое применение в науке - основной инструмент в нелинейной оптике, когда вещества прозрачные или нет для потока обычного света меняют свои свойства на противоположные.

Лазеры позволили осуществить новый метод получения объемных и цветных изображений, названный голографией.

В медицине, особенно в офтальмологии, хирургии и онкологии широко применяются лазеры, способные создать малое пятно, благодаря высокой монохроматичности и направленности. В офтальмологии лазерное излучение с энергией 0,2-0,3 Дж позволяет осуществлять ряд сложных операций, не нарушая целостности самого глаза. Одной из таких операций является приварка и укрепление отслоившейся сетчатки с помощью коагуляционных спаек. Кроме того, лазерный луч применяется для выжигания злокачественных и доброкачественных опухолей. В хирургии сфокусированный световой луч непрерывного лазера (мощностью до 100 Вт) служит чрезвычайно острым и стерильным скальпелем, осуществляющим бескровные операции даже на печени и селезенке. Весьма перспективно использование непрерывных и импульсных лазеров для прижигания ран и остановки кровотечений у больных с пониженной свертываемостью крови.

Лазерная обработка металлов. Возможность получать с помощью лазеров световые пучки высокой мощности до 10¹²-10¹⁶ Вт/см² при фокусировке излучения в пятно диаметром до 10-100 мкм делает лазер мощным средством обработки оптически непрозрачных материалов, недоступных для обработки обычными методами (газовая и дуговая сварка). Это позволяет осуществлять новые технологические операции, например, просверливание очень узких каналов в тугоплавких материалах, различные операции при изготовлении пленочных микросхем, а также увеличивает скорость обработки деталей. При пробивании отверстий в алмазных кругах сокращает время обработки одного круга с 2-3 дней до 2 мин. Наиболее широко применяется лазер в микроэлектронике, где предпочтительна сварка соединений, а не пайка. Основные преимущества: отсутствие механического контакта, возможность обработки труднодоступных деталей, возможность создания узких каналов, направленных под углом к обрабатываемой поверхности.

Лазерная связь и локация. По сравнению с существующими средствами радиосвязи и радиолокации лазерные обладают двумя основными преимуществами: узкой направленностью передачи и широкой полосой пропускания передаваемых частот. Сам лазер создает направленный луч (расходимостью ~ 10'), а применение оптической системы позволяет сформировать еще более параллельный луч (расходимостью ~ 2-3"). Один лазерный луч позволяет передавать сигнал в полосе частот - 100 МГц. Это дает возможность одновременной передачи 200 телевизионных каналов.

Первые сведения о применении лазерной локации относятся к 1962 г., когда была осуществлена локация Луны. Увеличение мощности, излучаемой лазером, сделает возможным картографирование поверхности Луны с Земли с высокой точностью (около 1,5 м). Лазерная локация применяется также в геофизике для определения высоты облаков, исследовании инверсионных и аэрозольных слоев в атмосфере, турбулентности и т. п.

Лазерные системы навигации и обеспечения безопасности полетов. Одним из основных элементов инерциальных систем навигации, широко используемых в авиации, являются гироскопы, которые в основном и определяют точность системы. Лазерные гироскопы обладают достаточно высокой точностью, большим диапазоном измерения угловых скоростей, малым собственным дрейфом, невосприимчивостью к линейным перегрузкам. Лазеры успешно применяются как измерители скорости полета, высотомеры. Лазерные курсоглиссадные системы обеспечивают безопасность полетов, связанную с увеличением точности систем посадки, снижения ограничений по метеоусловиям, обеспечением больших удобств работы экипажа при выполнении такого ответственного участка полета, как посадка. Установленные вблизи взлетно-посадочного полотна лазерные лучи создают геометрическую картину, позволяющую судить о правильности выдерживания траектории посадки.

Лазерные системы управления оружием резко повысили точность попадания. Лазерная полуактивная система наведения состоит из лазерного целеуказателя (лазерной системы подсвета цели) и боеприпаса с лазерной головкой самонаведения.