додати матеріал


Відкриття атома

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

План:

  1. Введення: будова атома.

  1. Атом як ціле

  1. Структура атома
а) Досліди Резерфорда
б) Планетарна модель атома Резерфорда
в) Квантові постулати Бора
  1. Лазери
а) Історія створення лазера
б) Пристрій лазера
в) Властивості лазера
· Застосування лазера в ювелірній галузі
· Застосування лазера в військовій справі
· Застосування лазера в медицині
· Лазери як засіб запису й обробки інформації
  1. Висновок.

  1. Список використаної літератури.



Введення

АТОМА БУДОВА

  Розділ фізики, що вивчає внутрішній устрій атомів. Атоми, спочатку вважалися неподільними, являють собою складні системи. Вони мають масивне ядро, що складається з протонів і нейтронів, навколо якого в порожньому просторі рухаються електрони. Щоб скласти уявлення про розміри атома і незаповненості займаного їм простору, розглянемо атоми, складові краплю води діаметром 1 мм. Якщо подумки збільшити цю краплю до розмірів Землі, то атоми водню і кисню, що входять в молекулу води, будуть мати в поперечнику 1-2 м. Основна ж частина маси кожного атома зосереджена в його ядрі, поперечник якого при цьому склав всього 0,01 мм . Атоми дуже малі - їх розміри близько 10 -10 -10 -9 м, а розміри ядра ще приблизно в 100 000 разів менше (10 -15 -10 -14 м). Тому атоми можна «побачити» тільки непрямим шляхом, на зображенні з дуже великим збільшенням. Але і в цьому випадку атоми не вдається розглянути в деталях. Наші знання про їх внутрішній устрій засновані на величезній кількості експериментальних даних, які побічно, але переконливо свідчать на користь сказаного вище.

АТОМ ЯК ЦІЛЕ

Історію виникнення загальних уявлень про атом зазвичай ведуть з часів грецького філософа Демокріта, багато розмірковує про найменших частинках, на які можна було б поділити будь-яка речовина. Групу грецьких філософів, які дотримувалися того погляду, що існують подібні крихітні неподільні частки, називали атомістами. Грецький філософ Епікур прийняв атомну теорію, і в першому столітті до н.е., один з його послідовників, римський поет і філософ Лукрецій Кар, виклав вчення Епікура в поемі «Про природу речей», завдяки якій воно і збереглося для наступних поколінь. Аристотель, один з найбільших вчених давнини, атомістичну теорію не брав, і його погляди на філософію і науку переважали згодом у середньовічному мисленні. Атомістичної теорії як би не існувало до самого кінця епохи Відродження, коли на зміну суто умоглядною філософським міркуванням прийшов експеримент.
В епоху Відродження почалися систематичні дослідження в областях, іменованих нині хімією і фізикою, що принесли з собою нові здогади про природу «неподільних частинок». Р. Бойль (1627-1691) та Ісаак Ньютон (1643-1727) виходили у своїх міркуваннях з уявлення про існування неподільних частинок речовини. Проте ні Бойлю, ні Ньютону не треба було детальної атомістичної теорії для пояснення цікавили їх явищ, і результати проведених ними експериментів не сказали нічого нового про властивості «атомів». спроби побудувати модель атома на основі уявлень класичної електродинаміки і механіки. У 1904 році з'явилися публікації про будову атома, одні з яких належали японському фізику Хантаро Нагаока, інші - англійському фізику Д.Д. Томсону.
Нагаока представив будову атома аналогічну будові сонячної системи: роль Сонця грає позитивно заряджена центральна частина атома, навколо якого по встановлених кільцеподібних орбітах рухаються "планети" - електрони. При незначних зсувах електрони збуджують електромагнітні хвилі. Він вважав, що атом є електронейтральної систему кулястої форми радіусом приблизно рівним 10 -10 м. Позитивний заряд атома рівномірно розподілений по всьому об'єму кулі, а негативно заряджені електрони знаходяться всередині нього (рис.1.). Для пояснення лінійчатих спектрів випускання атомів Томсон намагався визначити розташування електронів в атомі і розрахувати частоти їх коливань близько положень рівноваги. Проте ці спроби не увінчалися успіхом. Через кілька років у дослідах великого англійського фізика Е. Резерфорда було доведено, що модель Томсона невірна.
Малюнок 1.
Модель атома Дж. Томсона.
В атомі Томсона позитивну електрику "розподілено" по сфері, у яку вкраплені електрони. У найпростішому атомі водню електрон знаходиться в центрі позитивно зарядженої сфери. У багатоелектронних атомах електрони розташовуються по стійких конфігураціях, розрахованих Томсоном. Томсон вважав кожну таку конфігурацію визначальною для хімічної властивості атомів. Він зробив спробу теоретично пояснити періодичну систему елементів Д.І. Менделєєва. Наукові основи атомно-молекулярного вчення були закладені пізніше в роботах російського вченого М. В. Ломоносова, французьких хіміків Л. Лавуазьє і Ж. Пруста, англійського хіміка Д. Дальтона, італійського фізика А. Авогадро й інших дослідників.
Періодичний закон Д.І. Менделєєва показує існування закономірного зв'язку між усіма хімічними елементами. Це говорить про те, що в основі всіх атомів лежить щось загальне. До кінця XIX століття в хімії панувало переконання, що атом є найменша неподільна частка простої речовини. Вважалося, що при всіх хімічних перетвореннях руйнуються і створюються тільки молекули, атоми ж залишаються незмінними і не можуть дробитися на частини. І, нарешті, в кінці XIX століття були зроблені відкриття, що показали складність будови атома і можливість перетворення одних атомів в інші.
Це послужило поштовхом до утворення та розвитку нового розділу хімії «Будова атома». Першим вказівкою на складну структуру атома - були досліди з вивчення катодних променів, які виникають при електричному розряді в сильно розріджених газах. Для спостереження цих променів зі скляної трубки, в яку упаяно два металеві електроди, викачується по можливості все повітря і потім пропускається крізь неї струм високої напруги. За таких умов від катода трубки перпендикулярно до його поверхні поширюються "невидимі" катодні промені, що викликають яскраве зелене свічення в тому місці, куди вони потрапляють. Катодні промені володіють здатністю приводити в рух. На їх шляху легко рухливі тіла откланяются від свого первісного шляху в магнітному і електричному полі (в останньому в бік позитивно зарядженої пластини). Дія катодних променів виявляється тільки усередині трубки, так як скло для них непроникно. Вивчення властивостей катодних променів привело до висновку, що вони складаються з найдрібніших частинок, що несуть негативний заряд і летять зі швидкістю, що досягає половини швидкості світла. Також вдалося визначити масу і величину їхнього заряду. Маса кожної частки дорівнювала 0,00055 вуглецевої частинки. Заряд дорівнює 1,602 на 10 в мінус 19 ступені. Особливо чудово, що маса частинок і величина їхнього заряду не залежить ні від природи газу, що залишається в трубці, ні від речовини з якого зроблені електроди, ні від інших умов досвіду. Крім того, катодні частки відомі тільки в зарядженому стані і не можуть існувати без своїх зарядів, не можуть бути перетворені на електронейтральні частки: електричний заряд становить, саму сутність їхньої природи. Ці частинки отримали назву електронів. У катодних трубках електрони відокремлюються від катода під впливом електричного заряду. Але вони можуть виникати і поза всяким зв'язком з електричним зарядом. Так, наприклад, при електронній емісії метали випускають електрони; при фотоефекті багато речовин також викидають електрони. Виділення електронів найрізноманітнішими речовинами вказує на те, що ці частинки входять до складу всіх атомів; отже, атоми є складними утвореннями, побудованими з більш дрібних «складових частин». Уподібнення атома планетної системі робилося ще в кінці 19 століття. Але цю модель було важко поєднати з моделями електродинаміки, і вона була залишена, поступившись місцем моделі Томсона. Уявлення про будову атома радикально змінилися на початку 20 століття під впливом нових теоретичних ідей і експериментальних даних.
Інші докази складної структури атома. У той самий час, коли Томсон та інші дослідники експериментували з катодними променями, відкриття рентгенівського випромінювання і радіоактивності принесло додаткові докази складної структури атома. У 1895 В. Рентген (1845-1923) випадково виявив таємниче випромінювання («Х-промені»), яке проникало крізь чорну папір, яким він обертав трубку Крукса при дослідженні зеленої люминесцирующей області електричного розряду. Х-промені викликали світіння видаленого екрану, покритого кристалічним платіноціанідом барію. Рентген з'ясував, що різні речовини різної товщини, введені між екраном і трубкою, послаблюють світіння, але не гасять його повністю. Це свідчило про надзвичайно високу проникаючу здатність Х-променів. Рентген встановив також, що ці промені поширюються прямолінійно і не відхиляються під дією електричних і магнітних полів. Виникнення такого невидимого проникаючого випромінювання при бомбардуванні електронами різних матеріалів було чимось абсолютно новим. Було відомо, що видиме світло від трубок Гейсслер складається з окремих «спектральних ліній» з певними довжинами хвиль і, значить, пов'язаний з «коливаннями» атомів, що мають дискретні частоти. Істотна особливість нового випромінювання, що вирізняла його від оптичних спектрів, крім високої проникаючої здатності, полягала в тому, що оптичні спектри елементів з послідовно зростаючим числом електронів повністю відрізнялися один від одного, тоді як спектри X-променів дуже незначно змінювалися від елемента до елементу.

Подібне явище було виявлено в 1896 А. Беккерелем (1852-1908). Беккерель відкрив радіоактивність, використовуючи солі урану в процесі вивчення люмінесценції солей під дією світла та її зв'язку з люмінесценцією скла у рентгенівській трубці. В одному з дослідів спостерігалося почорніння фотопластинки, загорнутої в чорний папір і що знаходилася близько уранової солі в повній темряві. І хоч незабаром Беккерель втратив інтерес до цього предмету, все ж таки це випадкове відкриття стимулювало інтенсивні пошуки інших прикладів природної радіоактивності і постановку дослідів з визначення природи випускається випромінювання. І все ж велика частина наших основних знань в області радіоактивності походить з широких досліджень Резерфорда. (У 1898 році Марі і П'єр Кюрі відкрили ще два радіоактивні елементи - полоній і радій, але не зробили відкриттів фундаментального значення.) Ернест Резерфорд вважається найбільшим фізиком-експериментатором двадцятого сторіччя. Він є центральною фігурою в області радіоактивності, а також людиною, який поклав початок ядерній фізиці. Крім свого величезного теоретичного значення його відкриття отримали широкий спектр застосування, включаючи: ядерна зброя, атомні електростанції, радіоактивні числення і дослідження радіації. Вплив праць Резерфорда на світ величезний. Воно продовжує рости і, схоже, ще збільшиться в майбутньому.
Резерфорд народився 1871 і виріс в Новій Зеландії. Там він вступив до Кентерберійський коледж і до двадцяти трьох років отримав три ступені (бакалавра гуманітарних наук, бакалавра природних наук, магістра гуманітарних наук). На наступний рік йому присудили право на навчання в Кембриджському університеті в Англії, де він провів три роки як студент-дослідник під керівництвом Дж. Дж. Томсона, одного з провідних учених того часу. У двадцять сім років Резерфорд став професором фізики в університеті Макджі в Канаді. Там він працював дев'ять років і в 1907 році повернувся до Англії, щоб очолити фізичний факультет Манчестерського університету. У 1919 році Резерфорд повернувся до Кембриджа, цього разу як директор Кавендішської лабораторії, і залишався на цій посаді до кінця життя. Особистість Резерфорда постійно вражала всіх, хто з ним зустрічався. Він був великим людиною з гучним голосом, безмежною енергією і помітним браком скромності. Коли колеги відзначали надприродну здатність Резерфорда завжди знаходитися "на гребені хвилі" наукових досліджень, він відразу відповідав: "А чому б і ні? Адже це я викликав хвилю, чи не так?" Деякі вчені стали б заперечувати проти цього твердження.
Е. Резерфорд почав свою наукову кар'єру з розгадки таємниць радіоактивності - явища, відкритого в 1896 році А. Беккерелем. Важлива риса радіоактивності - це пов'язана з нею енергія. Беккерель, подружжя Кюрі і безліч інших учених вважали енергію зовнішнім джерелом. Але Резерфорд довів, що дана енергія, яка набагато могутніше, ніж звільняється при хімічних реакціях, - виходить зсередини окремих атомів урану! Цим він поклав початок важливої ​​концепції атомної енергії.
Учені завжди припускали, ніби окремі атоми неподільні і незмінні. Але Резерфорд (за допомогою дуже талановитого молодого помічника Фредеріка Содді) зміг показати, що коли атом випускає альфа - або бета-промені, він перетвориться в атом іншого сорту. Спочатку хіміки не могли в це повірити. Проте Резерфорд і Содді провели цілу серію експериментів з радіоактивним розпадом і трансформували уран в свинець. Також Резерфорд зміряв швидкість розпаду і сформулював важливу концепцію "напіврозпаду". Це незабаром привело до техніки радіоактивного числення, яке стало одним з найважливіших наукових інструментів і знайшло широке застосування в геології, археології, астрономії і в багатьох інших областях.
Е. Резерфорд, дослідивши проникаючу здатність випромінювання урану, показав, що є два типи випромінювань: дуже «м'яке» випромінювання, яке легко поглинається речовиною і яке Резерфорд назвав альфа-променями, і більше проникаюче випромінювання, яке він назвав бета-променями. Бета-промені виявилися тотожними звичайним електронам, або «катодних променів», що виникають у розрядних трубках. Альфа-промені, як з'ясувалося, мають такі ж заряд і масу, як і атоми гелію, позбавлені двох своїх електронів. Третій тип випромінювання, названий гамма-променями, виявився схожий з X-променями, але мав ще більшою проникаючою здатністю.
Ця приголомшлива серія відкриттів принесла Резерфорду в 1908 році Нобелівську премію (пізніше Нобелівську премію отримав і Содді), але його найбільше досягнення було ще попереду. Він зауважив, що швидкого руху альфа-частинки здатні проходити крізь тонку золоту фольгу (не залишаючи видимих ​​слідів!), Але при цьому злегка відхиляються. Виникло припущення, що атоми золота, тверді, непроникні, як "крихітні більярдні кулі" - як раніше вважали вчені, - були м'якими всередині! Усе виглядало так, ніби менші і твердіші альфа-частинки можуть проходити крізь атоми золота як високошвидкісна куля через желе.
Резерфорд за допомогою своїх співробітників. Е. Мардсена і Х. Гейгера в 1909-1911 роках застосував зондування атома за допомогою α-частинок, які виникають при радіоактивному розпаді радію і деяких інших елементів. Маса α-частинок приблизно в 7300 разів більше маси електрона, а позитивний заряд дорівнює подвоєному елементарному заряду. У своїх дослідах Резерфорд використовував α-частинки з кінетичною енергією близько 5 МеВ (швидкість таких частинок дуже велика - близько 10 7 м / с, але вона все ж таки значно менше швидкості світла). α-частинки - це повністю іонізовані атоми гелію. Вони були відкриті Резерфордом у 1899 році при вивченні явища радіоактивності . Цими частками Резерфорд бомбардував атоми важких елементів (золото, срібло, мідь та ін.) Електрони, що входять до складу атомів, внаслідок малої маси не можуть помітно змінити траєкторію α-частинки. Розсіювання, тобто зміна напрямку руху α-частинок, може викликати лише важка позитивно заряджена частина атома. Схема досліду Резерфорда представлена ​​на рис. 2.

Малюнок 2.
Схема досліду Резерфорда по розсіюванню α-частинок. K - свинцевий контейнер з радіоактивною речовиною, Е - екран, покритий сірчистим цинком, Ф - золота фольга, M - мікроскоп.
Від радіоактивного джерела, укладеного в свинцевий контейнер, α-частинки спрямовувалися на тонку металеву фольгу. Розсіяні частки потрапляли на екран, покритий шаром кристалів сульфіду цинку, здатних світитися під ударами швидких заряджених частинок. Сцинтиляції (спалаху) на екрані спостерігалися оком за допомогою мікроскопа. Спостереження розсіяних α-частинок в досвіді Резерфорда можна було проводити під різними кутами φ до первісного напрямку пучка. Було виявлено, що більшість α-частинок проходить через тонкий шар металу, практично не відчуваючи відхилення. Однак невелика частина часток відхиляється на значні кути, що перевищують 30 °. Дуже рідкісні α-частинки (приблизно одна на десять тисяч) зазнавали відхилення на кути, близькі до 180 °. Але Резерфорд виявив, що деякі α-частинки, проходячи крізь золоту фольгу, відхиляються дуже сильно. Фактично деякі взагалі відлітають назад! Відчувши, що за цим криється щось важливе, учений ретельно порахував кількість частинок, полетіли в кожному напрямі. Потім шляхом складного, але цілком переконливого математичного аналізу він показав єдиний шлях, яким можна було пояснити результати експериментів: атом золота складався майже повністю з порожнього простору, а практично вся атомна маса була сконцентрована в центрі, в маленькому "ядрі" атома!
Цей результат був цілком несподіваним навіть для Резерфорда. Він перебував у різкому протиріччі з моделлю атома Томсона, згідно якій позитивний заряд розподілений по всьому обсязі атома. При такому розподілі позитивний заряд не може створити сильне електричне поле, здатне відкинути α-частинки тому. Електричне поле однорідного зарядженого кулі максимально на його поверхні і убуває до нуля в міру наближення до центру кулі. Якби радіус кулі, в якому зосереджений весь позитивний заряд атома, зменшився в n разів, то максимальна сила відштовхування, що діє на α-частинку з законом Кулона , зросла б у n 2 разів. Отже, при досить великому значенні n α-частинки могли б випробувати розсіювання на великі кути аж до 180 °. Ці міркування привели Резерфорда до висновку, що атом майже порожній, і весь його позитивний заряд зосереджений в малому обсязі. Цю частину атома Резерфорд назвав атомним ядром. Так виникла ядерна модель атома. Рис. 3 ілюструє розсіювання α-частинки в атомі Томсона і в атомі Резерфорда.

Малюнок 3.
Розсіювання α-частинки в атомі Томсона (a) і в атомі Резерфорда (b).

Таким чином, досліди Резерфорда і його співробітників привели до висновку, що в центрі атома знаходиться щільне позитивно заряджене ядро, діаметр якого не перевищує 10 -14 -10 -15 м. Це ядро займає тільки 10 -12 частина повного об'єму атома, але містить весь позитивний заряд і не менш 99,95% його маси. Речовині, що становить ядро атома, слід було приписати колосальну щільність порядку ρ ≈ 10 15 г / см 3. Заряд ядра повинен бути дорівнює сумарному заряду всіх електронів, що входять до складу атома. Згодом вдалося встановити, що якщо заряд електрона прийняти за одиницю, то заряд ядра в точності дорівнює номеру цього елемента в таблиці Менделєєва.
Радикальні висновки про будову атома, що слідували з дослідів Резерфорда, змушували багатьох вчених сумніватися в їх справедливості. Не виключенням був і сам Резерфорд, який опублікував результати своїх досліджень тільки через два роки (1911 р.) після виконання перших експериментів. Спираючись на класичні уявлення про рух мікрочастинок, Резерфорд запропонував планетарну модель атома. Відповідно до цієї моделі, в центрі атома розташовується позитивно заряджене ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома. Атом в цілому нейтральний. Навколо ядра, подібно планет, обертаються під дією кулонівських сил з боку ядра електрони (мал. 4). Перебувати в стані спокою електрони не можуть, так як вони впали б на ядро.
     Малюнок 4.
Планетарна модель атома Резерфорда. Показані кругові орбіти чотирьох електронів
Планетарна модель атома, запропонована Резерфордом, безсумнівно, стала великим кроком у розвитку знань про будову атома. Вона була абсолютно необхідною для пояснення дослідів з розсіювання α-частинок. Однак вона виявилася нездатною пояснити сам факт тривалого існування атома, тобто його стійкість. За законами класичної електродинаміки, який рухається з прискоренням заряд повинен випромінювати електромагнітні хвилі, що забирають енергію. За короткий час (близько 10 -8 с) всі електрони в атомі Резерфорда повинні розтратити усю свою енергію і впасти на ядро. Те, що цього не відбувається в стійких станах атома, показує, що внутрішні процеси в атомі не підкоряються класичними законами.
7 березня 1911 Резерфорд зробив у філософському товаристві в Манчестері доповідь "Розсіювання a і b-променів і будова атома". У доповіді він, зокрема, говорив: "Розсіювання заряджених часток може бути пояснено, якщо припустити такий атом, який складається з центрального електричного заряду, зосередженого в точці й оточеного однорідним сферичним розподілом протилежної електрики рівної величини. При такому пристрої α і b-частинки , коли вони проходять на близькій відстані від центру атома, відчувають великі відхилення, хоча імовірність такого відхилення мала ".
Таким чином, вивчення розсіювання α-частинок поклало початок розвитку саме ядерної теорії атома, так як планетарна модель Резерфорда виявилася неспроможною.
До 20-х років XX століття фізики вже не сумнівалися в тому, що атомні ядра, відкриті Е. Резерфордом у 1911 р., також як і самі атоми, мають складну структуру. У цьому їх переконували численні експериментальні факти, накопичені до цього часу: відкриття радіоактивності, експериментальне доказ ядерної моделі ядра, вимірювання відношення e / m для електрона, α-частинки і для так званої H-частинки - ядра атома водню, відкриття штучної радіоактивності і ядерних реакцій, вимірювання зарядів атомних ядер і т. д. В даний час твердо встановлено, що атомні ядра різних елементів складаються з двох часток - протонів і нейтронів . Перша з цих часток представляє собою атом водню, з якого вилучений єдиний електрон. Ця частка спостерігалася вже у дослідах Дж. Томсона (1907 р.), якому вдалося виміряти у неї відношення e / m. У 1919 році Е. Резерфорд виявив ядра атома водню в продуктах розщеплення ядер атомів багатьох елементів. Резерфорд назвав цю частку протоном. Він висловив припущення, що протони входять до складу всіх атомних ядер. Схема дослідів Резерфорда представлена ​​на рис. 5.

Малюнок 5.
Схема дослідів Резерфорда по виявленню протонів в продуктах розщеплення ядер. К - свинцевий контейнер з радіоактивним джерелом α-частинок, Ф - металева фольга, Е - екран, покритий сульфідом цинку, М - мікроскоп.

Прилад Резерфорда складався з вакуумированной камери, в якій був розташований контейнер (К) з джерелом α-частинок. Вікно камери було закрито металевою фольгою (Ф), товщина якої була підібрана так, щоб α-частинки не могли через неї проникнути. За вікном розташовувався екран (Е), покритий сірчистим цинком. За допомогою мікроскопа (М) можна було спостерігати сцинтиляції в точках потрапляння на екран важких заряджених частинок. При заповненні камери азотом при низькому тиску на екрані виникали світлові спалахи, що вказують на появу потоку якихось частинок, здатних проникати через фольгу (Ф), практично повністю затримує потік α-частинок. Відсуваючи екран (Е) від вікна камери, Резерфорд зміряв середню довжину вільного пробігу спостережуваних частинок в повітрі. Вона виявилася приблизно рівною 28 см, що збігалося з оцінкою довжини пробігу H-частинок, що спостерігалися раніше Дж. Томсоном. Дослідження дії на частинки, вибивані з ядер азоту, електричних і магнітних полів показали, що ці частки мають позитивним елементарним зарядом і їх маса дорівнює масі ядра атома водню. Згодом досвід був виконаний з цілим рядом інших газоподібних речовин. У всіх випадках було виявлено, що з ядер цих речовин α-частинки вибивають H-частинки або протони.
За сучасними вимірами, позитивний заряд протона в точності дорівнює елементарному заряду e = 1,60217733 · 10 -19 Кл, тобто, дорівнює по модулю негативного заряду електрона. В даний час рівність зарядів протона і електрона перевірено з точністю 10 -22. Такий збіг зарядів двох несхожих один на одного частинок викликає подив і залишається однією з фундаментальних загадок сучасної фізики. Маса протона, за сучасними вимірами, дорівнює m p = 1,67262 · 10 -27 кг.
Таким чином, в досвіді Резерфорда було відкрито явище розщеплення ядер азоту та інших елементів при ударах швидких α-частинок і показано, що протони входять до складу ядер атомів.
Після відкриття протона було висловлено припущення, що ядра атомів складаються з одних протонів. Однак це припущення виявилося неспроможним, тому що відношення заряду ядра до його маси не залишається постійним для різних ядер, як це було б, якби до складу ядер входили одні протони. Для більш важких ядер це ставлення виявляється менше, ніж для легких, тобто при переході до більш важких ядер маса ядра зростає швидше, ніж заряд.
У 1920 р. Резерфорд висловив гіпотезу про існування в складі ядер жорстко пов'язаної компактної протон-електронної пари, що представляє собою електрично нейтральне освіта - частку з масою, приблизно рівною масі протона. Він навіть придумав назву цієї гіпотетичної частинки - нейтрон. Це була дуже гарна, але, як з'ясувалося згодом, хибна ідея. Електрон не може входити до складу ядра. Квантово-механічний розрахунок на підставі співвідношення невизначеностей показує, що електрон, локалізований у ядрі, тобто області розміром R ≈ 10 -13 см, повинен володіти колосальної кінетичної енергією, на багато порядків перевершує енергію зв'язку ядер у розрахунку на одну частинку. Ідея про існування важкої нейтральної частинки здавалася Резерфорду настільки привабливою, що він негайно запропонував групі своїх учнів на чолі з Дж. Чедвіком зайнятися пошуком такої частинки. Через 12 років у 1932 р. Чедвік експериментально досліджував випромінювання, що виникає при опроміненні берилію α-частинками, і виявив, що це випромінювання представляє собою потік нейтральних часток з масою, приблизно рівною масі протона. Так був відкритий нейтрон. На рис. 6. наведена спрощена схема установки для виявлення нейтронів.

Малюнок 6.
Схема установки для виявлення нейтронів.

При бомбардуванні берилію α-частинками, що випускаються радіоактивним полонієм, виникає сильне проникаюче випромінювання, здатне подолати таку перешкоду, як шар свинцю товщиною в 10-20 см. Це випромінювання майже одночасно з Чедвіком спостерігали подружжя Жоліо-Кюрі Ірен і Фредерік (Ірен - дочка Марії і П'єра Кюрі), але вони припустили, що це γ-промені великої енергії. Вони виявили, що якщо на шляху випромінювання берилію поставити парафінову пластину, то іонізуюча здатність цього випромінювання різко зростає. Вони довели, що випромінювання берилію вибиває з парафіну протони, які у великій кількості є в цьому водородосодержащих речовин. По довжині вільного пробігу протонів у повітрі вони оцінили енергію γ-квантів, здатних при зіткненні повідомити протонам необхідну швидкість. Вона виявилася величезною - близько 50 МеВ.
Дж. Чедвік в 1932 р. виконав серію експериментів по всебічному вивченню властивостей випромінювання, що виникає при опроміненні берилію α-частинками. У своїх дослідах Чедвік використовував різні методи дослідження іонізуючих випромінювань. Лічильник Гейгера, призначений для реєстрації заряджених частинок. Він складається зі скляної трубки, покритої зсередини металевим шаром (катод), і тонкої нитки, що йде уздовж осі трубки (анод). Трубка заповнюється інертним газом (зазвичай аргоном) при низькому тиску. Заряджена частинка, пролітаючи в газі, викликає іонізацію молекул. З'явилися в результаті іонізації вільні електрони прискорюються електричним полем між анодом і катодом до енергій, при яких починається ударна іонізація. Виникає лавина іонів, і через лічильник проходить короткий розрядний імпульс струму. Іншим найважливішим приладом для дослідження часток є так звана камера Вільсона, в якій швидка заряджена частинка залишає слід (трек). Траєкторію частинки можна спостерігати безпосередньо або фотографувати. Дія камери Вільсона, створеної в 1912 р., засноване на конденсації перенасиченого пари на іонах, що утворюються в робочому об'ємі камери вздовж траєкторії, зарядженої частинки. За допомогою камери Вільсона можна спостерігати викривлення траєкторії зарядженої частинки в електричному і магнітному полях.
Дж. Чедвік у своїх дослідах спостерігав у камері Вільсона треки ядер азоту, які зазнали зіткнення з берилієвим випромінюванням. На підставі цих дослідів він зробив оцінку енергії γ-кванта, здатного повідомити ядрам азоту спостерігається в експерименті швидкість. Вона виявилася рівною 100-150 МеВ. Такої величезної енергією не могли володіти γ-кванти, випущені берилієм. На цій підставі Чедвік уклав, що з берилію під дією α-частинок вилітати не безмасові γ-кванти, а досить важкі частинки. Оскільки ці частки володіли великою проникаючою здатністю і безпосередньо не іонізувати газ в лічильнику Гейгера, отже, вони були електронейтральності. Так було доведено існування нейтрона - частки, передбаченої Резерфордом більш ніж за 10 років до дослідів Чедвіка.
Нейтрон - це елементарна частинка. Її не слід представляти у вигляді компактної протон-електронної пари, як спочатку припускав Резерфорд.
За сучасними вимірами, маса нейтрона m n = 1,67493 · 10 -27 кг = 1,008665 а. е. м. В енергетичних одиницях маса нейтрона дорівнює 939,56563 МеВ. Маса нейтрона приблизно на дві електронні маси перевершує масу протона.
Також, важливим наслідком теорії Резерфорда була вказівка ​​на заряд атомного центра, який Резерфорд поклав рівним ± Ne. Заряд виявився пропорційним атомній вазі. "Точне значення заряду центрального ядра не було визначено, писав Резерфорд, - але для атома золота воно приблизно дорівнює 100 одиницям заряду". З подальших досліджень і експериментів Гейгера і Мардсена, котрі робили перевірку формул Резерфорда, виникло уявлення про ядро ​​як стійкої частини атома, що несе в собі майже всю масу атома і володіє позитивним (Резерфорд вважав знак заряду невизначеним) зарядом. При цьому число елементарних зарядів виявилося пропорційним атомній вазі. Заряд ядра виявився найважливішою характеристикою атома. У 1913 році було показано, що заряд ядра збігається з номером елемента в таблиці Менделєєва. Бор писав: "З самого початку було ясно, що завдяки великій масі ядра і його малої довжини в просторі порівняно з розмірами всього атома будова електронної системи повинне залежати майже винятково від повного електричного заряду ядра. Такі міркування відразу наводили на думку про те, що вся сукупність фізичних і хімічних властивостей кожного елемента може визначатися одним цілим числом ... " Після знайомства з Резерфордом Бор, відмовившись від вивчення електронної моделі, почав роботу в його групі. Звернувшись до планетарної моделі, Бор створив на її основі теорію атома Резерфорда-Бора.
Резерфорд зрозумів революційний характер ідей Бора й обговорив з ним основи цієї теорії, висловив критичні зауваження, після чого статті Бора були опубліковані. Відкриття Резерфордом атомних ядер є основою всіх сучасних теорій будови атома. Коли Нільс Бор через два роки опублікував знамениту працю, що описує атом як мініатюрну сонячну систему, керовану квантовою механікою, він використовував для своєї моделі в якості відправної точки ядерну теорію Резерфорда. Так само вчинили Гейзенберг і Шредінгер, коли вони сконструювали складніші атомні моделі, використовуючи класичну і хвильову механіку.
Отже, як ми вже говорили Планетарна модель атома, запропонована Резерфордом , - це спроба застосування класичних уявлень про рух тіл до явищ атомних масштабів. Ця спроба виявилася неспроможною. Класичний атом нестійкий. Електрони, що рухаються по орбіті з прискоренням, повинні неминуче впасти на ядро, розтративши всю енергію на випромінювання електромагнітних хвиль (рис. 7.).

Малюнок 7.
Нестійкість класичного атома.

Наступний крок у розвитку уявлень про будову атома зробив у 1913 році видатний датський фізик Н. Бор . Проаналізувавши всю сукупність досвідчених фактів, Бор прийшов до висновку, що при описі поведінки атомних систем слід відмовитися від багатьох уявлень класичної фізики. Він сформулював постулати, яким повинна задовольняти нова теорія про будову атомів.
Перший постулат Бора (постулат стаціонарних станів) говорить: атомна система може перебувати тільки в особливих стаціонарних чи квантових станах, кожному з яких відповідає певна енергія E n. У стаціонарних станах атом не випромінює.
Цей постулат знаходиться в явному протиріччі з класичною механікою, згідно з якою енергія рухомого електрона може бути будь-хто. Він знаходиться в протиріччі і з електродинаміки, оскільки допускає можливість прискореного руху електронів без випромінювання електромагнітних хвиль. Відповідно до першого постулату Бора, атом характеризується системою енергетичних рівнів, кожний з яких відповідає певному стаціонарного стану (рис. 8). Механічна енергія електрона, що рухається по замкнутій траєкторії навколо позитивно зарядженого ядра, негативна. Тому всім стаціонарним станам відповідають значення енергії E n <0. При E n ≥ 0 електрон віддаляється від ядра (іонізація). Величина | E 1 | називається енергією іонізації. Стан з енергією E 1 називається основним станом атома.

Малюнок 8.
Енергетичні рівні атома і умовне зображення процесів поглинання і випускання фотонів.

Другий постулат Бора ( правило частот) формулюється таким чином: при переході атома з одного стаціонарного стану з енергією E n в інше стаціонарне стан з енергією E m випромінюється або поглинається квант, енергія якого дорівнює різниці енергій стаціонарних станів:
nm = E n - E m,
де h - постійна Планка. Звідси можна висловити частоту випромінювання:

Теорія Бора не відкинула повністю закони класичної фізики при описі поведінки атомних систем. У ній збереглися уявлення про орбітальному русі електронів в кулонівському полі ядра. Класична ядерна модель атома Резерфорда була доповнена в теорії Бора ідеєю про квантуванні електронних орбіт. Тому теорію Бора іноді називають Напівкласична.
Теорія Бора дозволила розв'язати дуже важливе питання про розташування електронів в атомах різних елементів і установити залежність властивостей елементів від будови електронних оболонок їхніх атомів. В даний час розроблені схеми будови атомів усіх хімічних елементів. Однак, мати на увазі, що всі ці схеми це лише більш-менш достовірна гіпотеза, що дозволяє пояснити багато фізичних і хімічних властивостей елементів. Як раніше вже було сказано, число електронів, що обертаються навколо ядра атома, відповідає порядковому номеру елемента в періодичній системі. Електрони розташовані по шарах, тобто кожному шару належить визначене заповнюють чи як би насичують його число електронів. Електрони того самого шару характеризуються майже однаковим запасом енергії, тобто перебувають приблизно на однаковому енергетичному рівні. Вся оболонка атома розпадається на кілька енергетичних рівнів.
Теорія Бора зробила величезні послуги фізики і хімії, підійшовши, з одного боку, до розкриття законів спектроскопії і поясненню механізму лучеиспускания, а з іншого - до з'ясування структури окремих атомів і встановленню зв'язку між ними. Однак залишалося ще багато явищ у цій області, пояснити які теорія Бора не могла.
Рух електронів в атомах Бор представляв як просте механічне, проте воно є складним і своєрідним. Ця своєрідність було пояснено нової квантової теорії. Звідси і пішло: «Карпускулярно-вролновой дуалізм».
І так, електрон в атомі характеризується:
1. Головним квантовим числом n, що вказує на енергію електрона;
2. Орбітальним квантовим числом l, що вказує на характер орбіти;
3. Магнітним квантовим числом, що характеризує стан хмар в просторі;
4. І спінові квантовим числом, що характеризує веретеноподібне рух електрона навколо своєї осі.
У 1936 році Бор виступив зі статтею "Захоплення нейтрона і будова ядра", в якій запропонував краплинну модель ядра і механізм захоплення нейтрона ядром. Дивно, але ні Бор, ні інші не могли відразу пророчити розподіл ядра, що підказуються краплинної моделлю, поки на початку 1939 р. не було відкрито розподіл урану.
Всі ці відкриття ясно показали, що атом не є «неподільним». Він не тільки складається з більш дрібних частин (електронів і більш важких позитивних частинок), але ці та інші субодиниці, мабуть, мимоволі випускаються при радіоактивному розпаді важких елементів. Крім того, атоми не тільки випускають випромінювання у видимій області з дискретними частотами, а й можуть випускати більш «жорстке» електромагнітне випромінювання, а саме X-промені.
Таким чином, резерфордівського теорія, згідно з якою була розроблена теорія Бора, стала важливим етапом на шляху створення квантової механіки.
Відкриття Резерфорда також привело до появи нової гілки науки: вивчення атомного ядра. У цій області Резерфорду теж було призначено стати піонером. У 1919 році він домігся успіху при трансформації ядер азоту в ядра кисню, обстрілюючи перші швидкими альфа-частками. Це було досягнення, про яке мріяли стародавні алхіміки. Незабаром стало ясно, що ядерні трансформації можуть бути джерелом енергії Сонця. Більше того, трансформація атомних ядер є ключовим процесом в атомній зброї і на атомних електростанціях. Отже, відкриття Резерфорда викликає набагато більший інтерес, ніж просто академічний.
Одним з найбільших досягнень квантової фізики другої половини ХХ століття стало створення лазерів.
Лазери або оптичні квантові генератори - це сучасні когерентні джерела випромінювання, що володіють цілим рядом унікальних властивостей.
Історія створення лазера
Слово "лазер" складається з початкових літер в англійському словосполученні Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що в перекладі на російську мову означає: посилення світла за допомогою вимушеного випускання. Таким чином, в самому терміні лазер відображена так фундаментальна роль процесів вимушеного випускання, яку вони грають у генераторах і підсилювачах когерентного світла. Тому історію створення лазера слід починати з 1917 р., коли Альберт Ейнштейн вперше ввів уявлення про вимушене випущенні.
Це був перший крок на шляху до лазеру. Наступний крок зробив радянський фізик В. А. Фабрикант, котрий зазначив у 1939 р. на можливість використання вимушеного випускання для посилення електромагнітного випромінювання при його проходженні через речовину. Ідея, висловлена ​​В. А. Фабрикант, передбачала використання мікросистем з інверсної заселеністю рівнів. Пізніше, після закінчення Великої Вітчизняної війни В. А. Фабрикант повернувся до цієї ідеї і на основі своїх досліджень подав в 1951 р. заявку на винаходи способу посилення випромінювання за допомогою вимушеного випускання. На цю заявку було видано свідоцтво, в якому під рубрикою "Предмет винаходи" було написано: "Спосіб посилення електромагнітних випромінювань (ультрафіолетового, видимого, інфрачервоного і радіодіапазонів хвиль), що відрізняється тим, що посилюється випромінювання пропускають через середовище, в якій за допомогою допоміжного випромінювання або іншим шляхом створює надлишковий в порівнянні з рівноважною концентрацію атомів, інших частинок або їх систем на верхніх енергетичних рівнях, відповідних порушеними станами ".
Спочатку цей спосіб посилення випромінювання виявився реалізованим в радіодіапазоні, а точніше в діапазоні надвисоких частот. У травні 1952 р. на Загальносоюзної конференції з радіоспектроскопії радянські фізики Н. Г. Басов і А. М. Прохоров зробили доповідь про принципову можливість створення підсилювача випромінювання в НВЧ діапазоні. Вони назвали його "молекулярною генератором". Практично одночасно пропозицію про використання вимушеного випускання для посилення і генерування міліметрових хвиль було висловлено в Колумбійському університеті в США американським фізиком Ч. Таунсом.
У 1954 р. молекулярний генератор, названий незабаром мазерів, став реальністю. Він був розроблений і створений незалежно і одночасно в двох точках земної кулі - у Фізичному інституті імені П. М. Лебедєва Академії наук СРСР і в Колумбійському Університеті в США.
Згодом від терміну "мазер" і відбувся термін "лазер" в результаті заміни букви "М" (початкова буква слова Microwave - мікрохвильової) буквою "L" (початкова буква слова Light - світло). В основі роботи, як Мазера, так і лазера лежить один і той же принцип - принцип, сформульований. В. А. Фабрикант. Поява мазера означало, що народився новий напрям у науці і техніці. Спочатку його називали квантової радіофізикою, а пізніше стали називати квантової електронікою.

У 1955 р. Н. Г. Басов і А. М. Прохоров обгрунтували застосування методу оптичного накачування для створення інверсної заселеності рівнів. У 1957 р. Н. Г. Басов висунув ідею використання напівпровідників для створення квантових генераторів, при цьому він запропонував використовувати в якості резонатора спеціально оброблені поверхні самого зразка. У тому ж році В. А. Фабрикант і Ф. А. Бутаєва спостерігали ефект оптичного квантового підсилення в дослідах з електричним розрядом у суміші парів ртуті і невеликих кількостях водню і гелію. У 1958 р. А. М. Прохоров і незалежно від нього американський фізик Ч. Таунс теоретично обгрунтували можливість застосування явища вимушеного випускання в оптичному діапазоні; він висунули ідею застосування в оптичному діапазоні не об'ємних, а відкритих резонаторів. Зауважимо, що конструктивно відкритий резонатор відрізняється від об'ємного тим, що прибрані бічні провідні стінки і лінійні розміри резонатора обрані великими порівняно з довгою хвилі випромінювання.
Таким чином, інтенсивні теоретичні та експериментальні дослідження в СРСР і США впритул підвели вчених у самому кінці 50-х років до створення лазера. Успіх випав на долю американського фізика Т. Меймана. У 1960 р. в двох наукових журналах з'явилося його повідомлення про те, що йому вдалося отримати на рубіні генерацію випромінювання в оптичному діапазоні. Так світ дізнався про народження першого "оптичного мазера" - лазера на рубіні. Перший зразок лазера виглядав досить скромно: маленький рубіновий кубик (1x1x1 см), дві протилежні грані якого, мали срібне покриття (ці грані грали роль дзеркала резонатора), періодично опромінювалися зеленим світлом від лампи-спалахи високої потужності, яка змією охоплювала рубіновий кубик. Генерується випромінювання у вигляді червоних світлових імпульсів випускати через невеликий отвір в одній з посріблених граней кубика.
У тому ж 1960 р. американськими фізиками А. Джавану, В. Беннет, Е. Ерріоту вдалося отримати генерацію оптичного випромінювання в електричному розряді в суміші гелію і неону. Так народився перший газовий лазер, поява якого була фактично підготовлено експериментальними дослідженнями В. А. Фабрикант і Ф. А. Бутаєва, виконаними в 1957 р.
Починаючи з 1961 р., лазери різних типів (твердотільні і газові) займають міцне місце в оптичних лабораторіях. Освоюються нові активні середовища, розробляється і вдосконалюється технологія виготовлення лазерів. У 1962-1963 рр.. в СРСР і США одночасно створюються перші напівпровідникові лазери.
Пристрій лазерів
Щоб зрозуміти принцип роботи лазера, потрібно більш уважно вивчити процеси поглинання і випромінювання атомами квантів світла. Атом може перебувати в різних енергетичних станах з енергіями E 1, E 2 і т. д. У теорії Бора ці стани називаються стабільними. Насправді стабільним станом, в якому атом може перебувати нескінченно довго за відсутності зовнішніх збурень, є тільки стан з найменшою енергією. Цей стан називають основним. Всі інші стани нестабільні. Збуджений атом може перебувати в цих станах лише дуже короткий час, порядку 10 -8 с, після цього він мимоволі переходить в одне з нижчих станів, випускаючи квант світла, частоту якого можна визначити з другого постулату Бора. Випромінювання, що випускається при мимовільному переході атома з одного стану в інший, називають спонтанним. На деяких енергетичних рівнях атом може перебувати значно більший час, порядку 10 -3 с. Такі рівні називаються метастабільними.
Перехід атома в вищий енергетичний стан може відбуватися при резонансному поглинанні фотона, енергія якого дорівнює різниці енергій атома в кінцевому і початковому станах.
Переходи між енергетичними рівнями атома не обов'язково пов'язані з поглинанням або випусканням фотонів . Атом може придбати або віддати частину своєї енергії і перейти в інше квантовий стан в результаті взаємодії з іншими атомами чи зіткнень з електронами. Такі переходи називаються безізлучательнимі.
У 1916 році А. Ейнштейн передбачив, що перехід електрона в атомі з верхнього енергетичного рівня на нижній може відбуватися під впливом зовнішнього електромагнітного поля, частота якого дорівнює власній частоті переходу. Що виникає при цьому випромінювання називають вимушеним чи індукованим. Вимушене випромінювання має дивовижну властивість. Воно різко відрізняється від спонтанного випромінювання. У результаті взаємодії порушеної атома з фотоном атом випускає ще один фотон тієї ж самої частоти, що поширюється в тому ж напрямку. Мовою хвильової теорії це означає, що атом випромінює електромагнітну хвилю, у якій частота, фаза, поляризація і напрям поширення точно такі ж, як і у первісної хвилі. У результаті вимушеного випускання фотонів амплітуда хвилі, що розповсюджується в середовищі, зростає. З точки зору квантової теорії, в результаті взаємодії порушеної атома з фотоном, частота якого дорівнює частоті переходу, з'являються два абсолютно однакових фотона-близнюка. Саме індуковане випромінювання є фізичною основою роботи лазерів. На рис. 9 схематично представлені можливі механізми переходів між двома енергетичними станами атома з поглинанням чи виділенням кванта.

Малюнок 9.
Умовне зображення процесів (a) поглинання, (b) спонтанного випускання і (c) індукованого випускання кванта.
Розглянемо шар прозорої речовини, атоми якого можуть знаходитися в станах з енергіями E 1 і E 2> E 1. Нехай у цьому шарі поширюється випромінювання резонансної частоти переходу ν = ΔE / h. Згідно з розподілом Больцмана, при термодинамічній рівновазі більшу кількість атомів речовини буде знаходитися в нижньому енергетичному стані. Деяка частина атомів буде знаходитись і у верхньому енергетичному стані, одержуючи необхідну енергію при зіткненнях з іншими атомами. Позначимо населеності нижнього і верхнього рівнів відповідно через n 1 і n 2 <n 1. При поширенні резонансного випромінювання в такому середовищі будуть відбуватися все три процеси, зображені на рис. 9. Ейнштейн показав, що процес (a) поглинання фотона збудженого атома і процес (c) індукованого випускання кванта порушеними атомом мають однакові ймовірності. Так як n 2 <n 1 поглинання фотонів буде відбуватися частіше, ніж індуковане випущення. У результаті пройшло через шар речовини випромінювання буде послаблюватися. Це явище нагадує поява темних Фраунгоферський ліній в спектрі сонячного випромінювання. Випромінювання, що виникає в результаті спонтанних переходів, некогерентно і поширюється у всіляких напрямках і не дає вкладу в стелиться хвилю.
Щоб проходить через шар речовини хвиля посилювалася, потрібно штучно створити умови, при яких n 2> n 1, тобто створити інверсну населеність рівнів. Таке середовище є термодинамічно нерівноважної. Ідея використання нерівноважних середовищ для отримання оптичного посилення вперше була висловлена ​​В. А. Фабрикант в 1940 році. У 1954 році російські фізики Н. Г. Басов і А. М. Прохоров і незалежно від них американський учений Ч. Таунс використовували явище індукованого випускання для створення мікрохвильового генератора радіохвиль з довжиною хвилі λ = 1,27 см. За розробку нового принципу посилення і генерації радіохвиль в 1964 році всі троє були удостоєні Нобелівської премії. Середовище, в якому створена інверсна населеність рівнів, називається активною. Вона може служити резонансним підсилювачем світлового сигналу. Для того, щоб виникала генерація світла, необхідно використовувати зворотний зв'язок. Для цього активне середовище потрібно розташувати між двома високоякісними дзеркалами, які відбивають світло строго назад, щоб він багаторазово пройшов через активне середовище, викликаючи лавиноподібний процес індукованої емісії когерентних фотонів. При цьому в середовищі повинна підтримуватися інверсна населеність рівнів. Цей процес в лазерній фізиці прийнято називати накачуванням.
Початок лавиноподібного процесу в такій системі при певних умовах може покласти випадковий спонтанний акт, при якому виникає випромінювання, спрямоване вздовж осі системи. Через деякий час в такій системі виникає стаціонарний режим генерації. Це і є лазер. Лазерне випромінювання виводиться назовні через одне (або обидва) з дзеркал, що володіє частковою прозорістю. На рис. 10 схематично представлено розвиток лавиноподібного процесу в лазері.

Малюнок 10.
Розвиток лавиноподібного процесу генерації в лазері.
Існують різні способи отримання середовища з інверсною населеністю рівнів. У рубіновому лазері використовується оптична накачка. Атоми збуджуються за рахунок поглинання світла. Але для цього недостатньо тільки двох рівнів. Яким би потужним не був світло лампи-накачування, число збуджених атомів не буде більше числа збудженому. У рубіновому лазері накачування виробляється через третій вище розташований рівень (рис. 11).

Малюнок 11.
Трирівнева схема оптичної накачки. Вказані «часи життя» рівнів E 2 і E 3. Рівень E 2 - метастабільний. Перехід між рівнями E 3 та E 2 безвипромінювальної. Лазерний перехід здійснюється між рівнями E 2 і E 1. У кристалі рубіна рівні E 1, E 2 і E 3 належать домішковим атомам хрому.
Після спалаху потужної лампи, розташованої поруч з рубіновим стрижнем, багато атоми хрому, що входить у вигляді домішки у кристал рубіна (близько 0,05%), переходять в стан з енергією E 3, а через проміжок τ ≈ 10 -8 з вони переходять в стан з енергією E 2. Перенаселеність порушеної рівня E 2 у порівнянні з збудженому рівнем E 1 виникає через відносно великого часу життя рівня E 2.
Лазер на рубіні працює в імпульсному режимі на довжині хвилі 694 мм (темно-вишневий світло), потужність випромінювання може досягати в імпульсі 10 6 -10 9 Вт.
Одним з найпоширеніших лазерів в даний час є газовий лазер на суміші гелію і неону. Загальний тиск у суміші складає близько 10 2 Па при співвідношенні компонент He і Ne приблизно 10: 1. Активним газом є неон. Гелій є буферним газом, він бере участь у механізмі створення інверсної населеності одного з верхніх рівнів неону.

Малюнок 12.
Механізм накачування He-Ne лазера. Прямими стрілками зображені спонтанні переходи в атомах неону.
Накачування лазерного переходу E 4 → E 3 в неоні здійснюється наступним чином. У високовольтному електричному розряді внаслідок зіткнень з електронами значна частина атомів гелію переходить у верхнє метастабільного стану E 2. Збуджені атоми гелію неупругом зіштовхуються з атомами неону, що знаходяться в основному стан, і передають їм свою енергію. Рівень E 4 неону розташований на 0,05 еВ вище метастабільного рівня E 2 гелію. Недолік енергії компенсується за рахунок кінетичної енергії соударяющихся атомів. На рівні E 4 неону виникає інверсна населеність по відношенню до рівня E 3, який сильно збіднюється за рахунок спонтанних переходів на нижче розташовані рівні. При досить високому рівні накачування в суміші гелію і неону починається лавиноподібний процес розмноження ідентичних когерентних фотонів. Якщо кювету з сумішшю газів поміщена між високовідсвічувальне дзеркалами, то виникає лазерна генерація. На рис. 13 зображена схема гелій-неонового лазера.

Малюнок 13.
Схема гелій-неонового лазера: 1 - скляна кювету з сумішшю гелію і неону, в якій створюється високовольтний розряд; 2 - катод, 3 - анод, 4 - глухе сферичне дзеркало з пропущенням менше 0,1%; 5 - сферичне дзеркало з пропущенням 1 -2%.

 

Деякі унікальні властивості лазерного випромінювання

Розглянемо деякі унікальні властивості лазерного випромінювання. При спонтанному випромінюванні атом випромінює спектральну лінію кінцевої ширини. При лавиноподібне наростання числа вимушено іспущенних фотонів в середовищі з інверсно населеністю інтенсивність випромінювання цієї лавини буде зростати, насамперед, у центрі спектральної лінії даного атомного переходу, і в результаті цього процесу ширина спектральної лінії початкового спонтанного випромінювання буде зменшуватися. На практиці в спеціальних умовах вдається зробити відносну ширину спектральної лінії лазерного випромінювання в 10 7 - 10 8 разів менше, ніж ширина самих вузьких ліній спонтанного випромінювання, що спостерігаються в природі.
Крім звуження лінії випромінювання в лазері вдається отримати расходимость променя менш 10 -4 Радіана, тобто На рівні кутових секунд.
Відомо, що спрямований вузький промінь світла можна отримати в принципі від будь-якого джерела, поставивши на шляху світлового потоку ряд екранів з маленькими отворами, розташованими на одній прямій. Уявімо собі, що ми взяли нагріте чорне тіло і за допомогою діафрагм отримали промінь світла, з якого за допомогою призми або іншого спектрального приладу виділили промінь з шириною спектру, відповідній ширині спектра лазерного випромінювання. Знаючи потужність лазерного випромінювання, ширину його спектру та кутову расходимость променя, можна за допомогою формули Планка обчислити температуру уявного чорного тіла, використаного як джерело світлового променя, еквівалентного лазерному променю. Цей розрахунок приведе нас до фантастичної цифри: температура чорного тіла повинна бути порядку десятків мільйонів градусів! Дивна властивість лазерного променя - його висока ефективна температура (навіть при відносно малій середньої потужності лазерного випромінювання або малої енергії лазерного імпульсу) відкриває перед дослідниками великі можливості, абсолютно не здійсненні без використання лазера.
Застосування лазерів в ювелірної галузі:
Лазерне зварювання. Одним з перших застосувань лазерів в ювелірної галузі були операції ремонту різних виробів за допомогою лазерного зварювання. Прикладом застосування в серійному масовому виробництві лазерної зварки є лазерне зварювання ланцюгів при їх виробництві.
Дійсно, всім відомо і з успіхом застосовується обладнання для виробництва ланцюжків, особливо італійських фірм. Особливістю цього процесу є його двухстадийность: спочатку формується ланцюжок, потім проводиться її пайка традиційними методами. Лазери дозволяють виконувати зварювання ланки ланцюга безпосередньо при його формуванні на одній технологічній операції і одному і тому ж обладнанні. Вперше така технологія була розроблена для зварювання золотих ланцюжків італійською фірмою Lаservall. Також можливе застосування зварювання при поєднанні різних вузлів ювелірних виробів, закріплення голок знаків, зварювання великого кільця для замку і т.п. Переваги зварювання лазером - локальність введення тепла, відсутність флюсів і присадочного матеріалу (припою), низькі втрати матеріалу при зварюванні, можливість з'єднання деталей виробів з каменями, практично без нагрівання всього виробу в цілому.
Лазерне маркування та гравірування. Одним з найбільш цікавих методів обробки дорогоцінних металів є маркування та гравірування. Сучасні лазери, оснащені комп'ютерним управлінням, дозволяють наносити на метал методом лазерного маркування й гравірування (модифікації поверхні під впливом лазерного випромінювання.) Практично будь-яку графічну інформацію - малюнки, написи, вензелі, логотипи. Причому зображення можна наносити як в растровому, так і в контурному зображенні. Сучасне обладнання дозволяє переміщати лазерний промінь зі швидкістю більше двох метрів у хвилину й забезпечувати графічний дозвіл на металі до 10 ... 15 ліній на міліметр. У такій техніці можливе виготовлення з низькою собівартістю різних підвісок, шпильок, та інших ювелірних виробів зі своєрідною лазерної графікою.
Маркування діамантів. Сучасний розвиток лазерів та лазерної техніки, вдосконалення параметрів лазерного випромінювання, розробка принципово нових лазерних випромінювачів відкрило можливості маркування діамантів.
Таврування. Клеймування є різновидом лазерного маркування, коли зображення формується на металі в результаті проектування попередньо створеного малюнка лазерним променем. Такий метод дозволяє легко отримувати невеликі розміри на металі і застосовується для постановки іменників підприємства-виробника виробу і пробірних клейм. Висока точність дозволяє отримувати зображення з високим ступенем захисту від відтворення (підроблення) і може застосовуватися для постановки пробірних клейм.
Клеймо на виробі одночасно є знаком його якості. Технологія нанесення клейма лазером не призводить до втрати якості виробів, не вимагає операцій заправки клейма, має високу продуктивність і ергономічністю. Особливо ефективним є застосування лазерного таврування на легковагі і тонкостінні вироби з дорогоцінних металів.

Застосування лазерів у військовій справі:

До теперішнього часу склалися основні напрями, за якими йде впровадження лазерної техніки у військову справу. Цими напрямками є:
1. Лазерна локація (наземна, бортова, підводна).
2. Лазерний зв'язок.
3. Лазерні навігаційні системи.
4. Лазерна зброя.
 

Застосування лазерів в медицині

У медицині лазерні установки знайшли своє застосування у вигляді лазерного скальпеля. Його використання для проведення хірургічних операцій визначають наступні властивості:
Він виробляє щодо безкровний розріз, оскільки одночасно з розтином тканин він коагулює краю рани "заварюючи" не дуже великі кровоносні судини;
Лазерний скальпель відрізняється постійністю різальних властивостей. Попадання на твердий предмет (наприклад, кістка) не виводить скальпель з ладу. Для механічного скальпеля така ситуація стала б фатальною;
Лазерний промінь в силу своєї прозорості дозволяє хірургові бачити оперований ділянку. Лезо ж звичайного скальпеля, так само як і лезо електроножа, завжди в якійсь мірі загороджує від хірурга робоче поле;
Лазерний промінь розсікає тканину на відстані, не надаючи ніякого механічного впливу на тканину;
Лазерний скальпель забезпечує абсолютну стерильність, адже з тканиною взаємодіє тільки випромінювання;
Промінь лазера діє строго локально, випаровування тканини відбувається тільки в точці фокусу. Прилеглі ділянки тканини пошкоджуються значно менше, ніж при використанні механічного скальпеля;
Як показала клінічна практика, рана від лазерного скальпеля майже не болить і швидше загоюється.

Лазерні технології - засіб запису й обробки інформації

В даний час лазерні технології активно використовуються як засіб запису і обробки великих обсягів інформації. І тут слід відзначити появу принципово нового виду носія інформації - компакт-диска. Як ми знаємо, в аудіо-та відеокасетах, які до недавнього часу були, мабуть, найпоширенішим засобом збереження даних, використовувалися магнітні явища. У компакт-диску ж застосований інший підхід.
Сам диск (в іноземній літературі - CD-ROM) являє собою пластину круглої форми, на одній стороні якого нанесено маркування диска. Інша ж сторона є робочою і на перший погляд вона абсолютно гладка. Однак, це не так, тому що якщо б це було так, то ні про яке збереженні інформації не могло б бути й мови. Всередині спеціального пристрою робоча поверхня диска як би сканується лазерним променем невеликої потужності (як правило 0,14 мВт при довжині хвилі 790 нм.). При такому скануванні визначається, що знаходиться усередині плями лазерного променя - поглиблення чи ні? Не вдаючись у комп'ютерну техніку можна тільки сказати, що наявність поглиблення (або пита) відповідає логічній одиниці, а в усіх комп'ютерних технологіях використовуються тільки два стани - НУЛЬ і ОДИНИЦЯ. Далі використовуючи спеціальні таблиці можна розшифрувати послідовність цих нулів та одиниць і отримати вихідну інформацію.
Запис таких дисків проводиться також за допомогою лазерів, але тут мова йде про набагато більшої потужності лазера.
Завдяки тому, що випалювання пітів на поверхні диска проводиться за допомогою лазера, можна досягти дуже великої щільності запису інформації, так як діаметр лазерного променя, а отже і пита дуже малий.
Інший напрямок у збереженні інформації - голографія - метод, що дозволяє зберегти інформацію про зовнішній вигляд будь-якого об'ємного тіла з дуже високою точністю.

Висновок

Подальше дослідження структури атомів. В даний час електронна структура атомів в принципі отримала своє пояснення, хоча властивості багатоелектронних атомів вдається розрахувати лише приблизно. Квантова механіка пояснює всі відомі властивості окремих атомів. Активно вивчається взаємодія атомів, особливо в твердих тілах. ... У далекому минулому філософи Древньої Греції припускали, що вся матерія єдина, але здобуває ті чи інші властивості в залежності від її «сутності». А зараз, у наш час, завдяки великим ученим, ми точно знаємо, з чого насправді вона складається.
Список використаної літератури:
1. Григор'єв В.І., Мякишев Г.Я. Сили в природі. Москва, «Наука», 1983 р.
2. Кудрявцев П.С. Курс історії фізики. Москва, «Просвещение», 1982 р.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
128.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Будова атома
Становлення теорії атома
Квантова теорія атома
Сучасна модель атома
Модель атома Резерфорда і Бора
Механічний і магнітний моменти атома
Модель ядра атома і таблиця елементів
Електронна будова атома Періодичний закон
Нуклеофільне заміщення біля тетраедричного атома вуглецю
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru