А) Квантовая теория строения атома

Основы этой теории были заложены в 1913 году датским физиком Нильсом Бором. Он поставил перед собой цель связать в единое целое экспериментально установленные закономерности линейчатых спектров, планетарную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. Свою теорию Н. Бор разработал, предположив (в качестве постулатов), что:

1. электроны вращаются в атоме не по любым орбитам, а только по орбитам со строго определёнными радиусами , удовлетворяющими следующему равенству:

,

где n =1, 2, 3 … - квантовое число;

2. движение электронов по этим стационарным орбитам не сопровождается излучением (или поглощением) фотонов (электромагнитных волн);

3. переход электрона с n -й на k -ю стационарную орбиту сопровождается излучением (или поглощением) фотона с энергией: .

При происходит излучение фотона, при - поглощение фотона. Набор возможных дискретных частот квантовых переходов и определяет линейчатый спектр излучения - поглощения атома. Причём, переход атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией сопровождается переходом электрона с удалённой от ядра орбиты на близлежащую.

Б) Индуцированное излучение. Квантовые генераторы (лазеры)

Атом, находясь в возбуждённом состоянии n с энергией , может через некоторый промежуток времени спонтанно, без каких-либо внешних воздействий, перейти в состояние с низшей энергией , отдавая избыточную энергию путём испускания фотона (электромагнитной волны) с энергией . Процесс испускания фотона возбуждённым атомом (или молекулой) без каких-либо внешних воздействий называют спонтанным (или самопроизвольным) излучением. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение некогерентно.

В 1916 году А. Эйнштейн для объяснения наблюдавшегося на опыте термодинамического равновесия между веществом и испускаемым и поглощаемым им излучением постулировал (предположил), что помимо поглощения и спонтанного излучения должен существовать третий, качественно иной тип взаимодействия. Если на атом, находящийся в возбуждённом состоянии n с энергией , падает внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию , то атом совершает вынужденный (индуцированный) переход в низшее энергетическое состояние , сопровождаемый излучением фотона той же энергии . При подобном переходе атом излучает новый фотон, не поглощая того фотона, под действием которого произошёл переход. Возникающее в результате таких переходов излучение называют вынужденным (индуцированным) излучением. Существенно также то, что индуцированное излучение совершенно неотличимо от падающего излучения, т.е. совпадает с ним по частоте, фазе, поляризации и направлению распространения. Следовательно, инициированное одним падающим фотоном индуцированное излучение является когерентным.

Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбуждённые атомы, стимулируют новые индуцированные переходы, и число фотонов растёт лавинообразно. Однако наряду с вынужденным излучением происходит и конкурирующий процесс - поглощение фотонов. Поэтому для усиления падающего излучения необходимо, чтобы число актов вынужденного излучения фотонов (оно пропорционально количеству атомов, находящихся на n-ом энергетическом уровне) превышало число актов поглощения фотонов (оно пропорционально количеству атомов, находящихся на k-ом энергетическом уровне). В образце, находящемся в термодинамическом равновесии, число поглощённых фотонов падающего излучения преобладает над числом фотонов, инициирующих вынужденное излучение. Поэтому падающее излучение, по мере его распространения в таком образце, ослабляется.

Чтобы среда усиливала падающее на неё излучение, необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбуждённых состояниях было бы больше, чем их число в основном энергетическом состоянии. Такое состояние вещества называют состоянием с инверсной населённостью. Процесс создания неравновесного состояния вещества (перевод системы в состояние с инверсной населённостью атомами энергетических уровней) называют накачкой. Накачку можно осуществить оптическими, электрическими, химическими и другими способами.

В средах с инверсной населённостью интенсивность распространяющегося излучения не уменьшается, а увеличивается. Впервые на возможность создания генератора электромагнитных волн оптического диапазона указал в 1939году советский физик В.А. Фабрикант. Им была предложена конструкция оптического квантового генератора (ОКГ).

Основные составные части лазера (Рис. 2): 1) рабочее тело из активной среды, в которой создаётся инверсная населённость энергетических уровней; 2) устройство накачки для создания в активной среде инверсной населённости; 3) оптический резонатор - устройство, формирующее выходящий световой пучок и выполненное из двух зеркал, установленных перпендикулярно оси рабочего тела.

Для выделения направления генерации индуцированного излучения применяют оптический резонатор, обычно состоящий из двух зеркал (одно из которых полупрозрачно), установленных перпендикулярно оси рабочего тела. Фотоны, движущиеся под углами к оси кристалла, выходят из активной среды через её боковую поверхность. Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси, многократно отразятся от зеркал, каждый раз вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение, и т.д. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный пучок огромной яркости.

Свойства лазерного излучения: 1) когерентность; 2) высокая степень монохроматичности ( м); 3) большая плотность потока энергии ( Вт/м²); 4) малая угловая расходимость ( рад); 5) как правило, оно линейно поляризовано, чего достигают за счёт введения в конструкцию лазера специального поляризующего устройства.

Основные области применения лазеров: 1) технологические процессы; 2) передача и обработка информации (сети связи); 3) измерительная техника; 4) голография (способ получения объёмных изображений); 5) медицина и т.д.

Пусть на дифракционную решетку падает перпендикулярно монохроматический пучок параллельных лучей (Рис. 3), тогда в каждой щели возникают когерентные волны, которые интерферируют между собой. Результирующая картина, наблюдаемая на экране за решеткой, состоит из множества минимумов и максимумов различных по интенсивности. В центре экрана – главный максимум с наибольшей интенсивностью, слева и справа от него максимумы 1го порядка; потом максимумы 2го порядка и т.д.

Поскольку углы φ обычно малы, то sinφ ≈ tgφ =R/L, где R – расстояние между главным максимумом и максимумом более высокого порядка, L – расстояние от решетки до экрана (Рис. 9). Тогда условие для главных максимумов можно переписать в виде:

Тогда длину волны лазерного излучения можно вычислить по формуле: (1)

Зная длину волны, можно определить энергию Е кванта лазерного излучения по формуле Планка:,

Где h – постоянная Планка =6, 63·10^-34Дж·с, с – скорость света = 3·10⁸ м/с, ν - частота лазерного излучения.

Рис. 3. Схема лабораторного опыта по определению длины волны света.

Для перевода энергии кванта в электрон-вольты (эВ), нужно полученное значение Е в джоулях разделить на заряд электрона (1.6·10^-19Кл).

ЗАДАНИЕ, ВЫПОЛНЯЕМОЕ В ЛАБОРАТОРИИ

Определение длины волны и энергии кванта лазерного излучения.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Лабораторная работа выполняется на установке фирмы PHYWE (рис.1)

11. Лазер He-Ne, 1, 0 мВт;

12. Si-фотодетектор с усилителем;

13. Передвижное устройство, горизонтальное;

14. Блок управления для Si-фотодетектора;

15. Оптическая скамья,;

16. Держатель для дифракционной решетки;

17. Аналоговый электроизмерительный прибор;

18. Держатели для линз в оправе:;

19. Дифракционные решетки: 4 линии/мм, 10 линий/мм, 8 линий/мм;

20. Экран.

Рис. 1. Общий вид установки.

Рис.2 Схема лабораторной установки: 1.Лазер; 2.Оптическая скамья; 3. Линза (f=+20мм); 4.Линза (f=+100мм); 5. Дифракционная решетка; 6. Фотодетектор с регулировочным винтом для измерения расстояния между максимумами; 7. Миллиамперметр; 8.Блок управления фотодетектором; 9. Экран.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Последовательность проведения исследования:

1. Подключите лазер и блок управления к источнику питания (220В).

2. Включите источник питания.

3. Поставьте в держатель на оптическую скамью дифракционную решетку 50 линии/мм (Рис.2).

4. Изменяя расстояния линзы (f=+100мм) и решетки относительно друг друга и фотодетектора добейтесь четкого изображения дифракционной картины на экране. Измерьте расстояние между дифракционной решеткой и экраном.

5. Найдите на дифракционной картине максимум нулевого порядка.

6. Найдите расстояние между максимумами 1-го и 0-го порядка, 2-го и 0-го, 3-го и 0-го.

7. Данные занесите в таблицу.

8. Рассчитайте период дифракционной решетки.

9.Для каждого максимума рассчитайте длину волны излучения. Найдите среднее значение длины волны.

10.Вычислите энергию кванта лазерного излучения (сравните значение с маркировкой на лазере) и переведите ее в электрон-вольты.

11. Проделайте п. 1-10 для другого лазера и занесите результаты в таблицу 2.

Таблица.1 Определение длины волны лазерного излучения 1

Таблица.2 Определение длины волны лазерного излучения 2

Сделайте вывод по работе.

Отчет о проделанной работе сдайте преподавателю.