АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА Тема. Лазеры

АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

 

УРОК 4/53

 

Тема. Лазеры

 

 

 

Цель урока: ознакомить учащихся с принципом действия квантовых источников света.

 

Тип урока: урок изучения нового материала.

 

ПЛАН УРОКА

 

Контроль знаний

 

3 мин.

 

1. Квантовые постулаты Бора.

 

2. Спектральный анализ.

 

3. Атомные спектры и теория Бора

 

Демонстрации

 

5 мин.

 

Видео-фрагменты фильма «Квантовые генераторы»

 

Изучение нового материала

 

27 мин.

 

1. Спонтанное и вынужденное излучения.

 

2. Квантовые генераторы.

 

3. Трехуровневый лазер.

 

4. Применение лазеров

 

Закрепление изученного материала

 

10 мин.

 

1. Учимся решать задачи.

 

2. Контрольные вопросы

 

 

 

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

 

1. Спонтанное и вынужденное излучения

 

В возбужденном состоянии атом может находиться лишь в течение незначительного промежутка времени, после чего самопроизвольно (спонтанно) переходит в основное состояние, излучая при этом квант света. Это излучение происходит при отсутствии внешнего воздействия на атом и обусловлено лишь неустойчивостью его возбужденного состояния.

 

Если никакого влияния на атом не обнаружено, то время его пребывания в возбужденном состоянии около 10-8 с. Если же атом подвергается внешнему воздействию, то время жизни его возбужденного состояния сокращается и возникает излучение, которое называют вынужденным или индуцированным.

 

Понятие о вынужденном излучении было введено в 1916 году Альбертом Эйнштейном. Это излучение происходит в результате воздействия на возбужденный атом кванта света, частота которого совпадает с частотой его самопроизвольного излучения. Атом при этом переходит на более низкий энергетический уровень, и до первичного фотона добавляется еще один фотон, который ничем не отличается от первого. Таким образом, излучение, падающее на атом, «удваивается»: до атома «приходит» один фотон, а «идут» два точно таких же (то есть их частоты и направления движения совпадают). Поэтому в активной среде, где много атомов находятся в этом самом возбужденном состоянии, излучаемую фотоны будут, в свою очередь, «заставлять» другие атомы излучать точно такие же фотоны. В результате интенсивность излучения может лавинно-подобно увеличиваться. Усиление падающей волны, обусловленное вынужденным излучением, впервые наблюдал на опыте российский физик В. А. Фабрикант 1939 года.

 

2. Квантовые генераторы

 

«Запустить» лавину вынужденного излучения может фотон, спонтанно излученный каким-нибудь атомом этого же среды: этот фотон «заставит» другой атом випроменити такой же фотон, потом два одинаковых фотоны «заставят» еще два атома випроменити еще два таких же фотоны и так далее. В результате (без внешнего излучения) может развиться лавинообразный процесс, что приводит к чрезвычайно интенсивного излучения за счет «запаса энергии» атомов, находящихся в метастабільному состоянии. На этом основано действие квантовых генераторов, которые сегодня широко используют в технике, медицине, быту, средствах связи.

 

Ø Оптические квантовые генераторы, излучение которых находится в видимой и инфракрасной области спектра, называются лазерами.

 

По интенсивности излучения лазеры намного превосходят все другие виды источников излучения.

 

3. Трехуровневый лазер

 

Во время работы лазера часто используют систему трех энергетических уровней атома, из которых верхний уровень - со временем жизни порядка 10-7 - 10-8 с , средний уровень - метастабильное, с временем жизни около 10-3 с, а нижний уровень соответствует основному состоянию атома.

 

Далее рекомендуется рассмотреть в качестве примера принцип действия рубинового лазера.

 

 

 

image183

 

 

 

4. Применение лазеров

 

Лазеры играют значительную роль в современном научно-техническом прогрессе. их излучение имеет уникальные и очень ценные свойства, которые обеспечили им широкое применение в самых разнообразных отраслях науки, техники, медицины и др. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крошечную крапинку диаметром, сравнимым с длиной световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли - принципиально новым средством ее передачи и обработки.

 

С помощью лазеров удалось создать трехмерные изображения, которые называются голографическими. Рассматривая голограмму под разными углами, вы можете видеть изображенный на ней предмет разносторонне: например, на голограмме (в отличие от фотографии) можно «заглянуть» за предметы, расположенные на переднем плане.

 

Принцип действия лазера используют также при создании эталонов времени, то есть наиболее точных часов: погрешность хода таких часов - не более одной секунды за 30000 лет.

 

 

 

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

 

Первый уровень

 

1. Чем отличается излучение лазера от излучения лампы накаливания?

 

2. Охарактеризуйте основные особенности лазерного излучения.

 

3. Назовите основные области применения лазеров.

 

4. Как используют лазеры в различных областях науки, техники и медицины?

 

Второй уровень

 

1. Среду называют активным?

 

2. Что можно сказать про фотоны, которые входят в состав пучка лазерного излучения?

 

 

 

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

 

1). Качественные вопросы

 

1. Атомы Хрома в рубиновом лазере образуют как спонтанное, так и вынужденное излучения. Какие характеристики этих излучений совпадают, а какие - нет?

 

2. Чем отличается метастабильное состояние от стабильного?

 

3. Какую роль в работе лазера играют метастабильные уровни атомов?

 

2). Учимся решать задачи

 

1. Сколько фотонов испускает за полчаса лазер, если мощность его излучения 2 мВт? Длина волны излучения 750 нм.

 

2. Почему во время использования вынужденного излучения удается получить практически не розбіжний световой пучок?

 

 

 

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

 

· Оптические квантовые генераторы, излучение которых лежит в видимой и инфракрасной области спектра, называются лазерами.

 

· Свойства лазерного излучения:

 

1) малый угол расхождения пучка света;

 

2) исключительная монохроматичность;

 

3) мощные источники света;

 

4) КПД около 1 %.

 

 

 

Домашнее задание

 

1. Подр.: § 28 (п. 2).

 

2. 3б.:

 

Рів1 № 16.5; 16.7; 16.8.

 

Рів2 № 16.13; 16.15.

 

3. Д: подготовиться к самостоятельной работе № 12.