Ответы на вопросы «Квантовая теория электромагнитного излучения. § 80. Лазер»
Инверсная населенность — неравновесное состояние среды, при котором в возбужденном состоянии концентрация атомов больше, чем в основном.
Метастабильное состояние — возбужденное состояние в атоме электрона, в котором он может находиться достаточно долго, если сравнивать с обычным возбужденным состоянием.
4. Опишите принцип действия рубинового лазера. Охарактеризуйте основные особенности лазерного излучения.
С помощью мощного импульса лампы-вспышки ионы переводятся в возбужденное состояние. Передавая часть энергии, ионы переходят на метастабильный энергетический уровень, где начинают накапливаться, это приводит к инверсной населенности. Случайный фотон может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов. Индуцированное излучение быстро усиливается. Через частично прозрачный торец выходит мощный импульс.
Изучение обладает большой когерентностью и монохроматичностью.
Пучок света лазера имеет очень маленький угол расхождения. Самый мощный искусственный источник света.
5. Как используются лазеры в различных областях науки, техники и медицины?
Для космической связи, в светолокаторах, для передачи сигналов по оптоволокну, считывания информации с CD и штрих — кодов, хирургических операций и т.д.
Источник:
Решебник по физике за 11 класс (Касьянов В.А., 2002 год),
задача №86
к главе «Квантовая теория электромагнитного излучения. § 80. Лазер».
Какие возможны процессы взаимодействия атома с фотоном?
Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.
решение вопроса
Связанных вопросов не найдено
Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.
- Все категории
- экономические 43,679
- гуманитарные 33,657
- юридические 17,917
- школьный раздел 612,708
- разное 16,911
Популярное на сайте:
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
- Обратная связь
- Правила сайта
Какие возможны процессы взаимодействия атома с фотоном
Физика
Электродинамика
Магнитное поле
Механические колебания
Электромагнитные колебания
Механические волны
Электромагнитные волны
Оптика
Геометрическая оптика
Задачи на сферическое зеркало
Линза
Волновая оптика
Основы теории относительности
Основы квантовой физики
Излучения и спектры
Световые кванты
Атомная физика
Ядерная физика
Физика элементарных частиц
Открытие позитрона. Античастицы
Современная физическая картина мира
Современная физическая картина мира
Строение Вселенной
Строение Вселенной
Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд
Наша галактика и другие галактики
Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной
Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов
«Красное смещение» в спектрах галактик
Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной
Наблюдение солнечных пятен, звёздных скоплений, туманностей и галактик
Медиаматериалы
Какие возможны процессы взаимодействия атома с фотоном
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ — сводится к совокупности элементарных процессов рассеяния (упругого и неупругого), поглощения и генерации эл.-магн. излучения. Ниже рассматриваются в основном процессы, приводящие к ослаблению излучения (о генерации излучения см., напр.. Линейчатое излучение , Нетепловое излучение , Мазерный эффект , Тормозное излучение ). Поток излучения с частотой v, проходящий через слой вещества, ослабляется из-за поглощения, упругого рассеяния вбок и из-за неупругого рассеяния. В случае оптич. излучения такое ослабление наз. экстинкцией.
Взаимодействие (как отдельные элементарные процессы, так и любая их комбинация) фотона с рассеивающей или поглощающей частицей характеризуется эффективным поперечным сечением (ЭПС) s . Его можно определить как отношение вероятности взаимодействия на единице пути dП/dx к концентрации N частиц, с к-рыми происходит взаимодействие:
ЭПС зависит от состояния фотонов и частиц до и после взаимодействия. Различают дифференциальное ЭПС, определяемое вероятностью такого взаимодействия, при к-ром фотон и частица из фиксированных начальных состояний переходят в определённые конечные состояния, и полное, или интегральное, ЭПС — результат интегрирования дифференциального ЭПС по всем конечным состояниям. Полное ЭПС имеет размерность площади (см 2 ).
Ослабление излучения можно характеризовать коэфф. ослабления интенсивности излучения m (его часто наз. также коэфф. поглощения); m выражается через ЭПС поглощения s погл и ЭПС рассеяния s расс: m = N ( s погл + s расс), пли, если излучение взаимодействует с различными сортами (i) частиц с концентрациями Ni, то
где s i погл и s i расс — соответствующие ЭПС для каждого сорта частиц. Ослабление интенсивности I излучения, прошедшего слой вещества толщиной l, описывается выражением:
I(l) = I0 e — t (l) ,
где I0 — интенсивность входящего в слой излучения. Безразмерная величина
наз. оптической толщей слоя. Часто m и t вводят отдельно для каждого процесса взаимодействия.
Осн. процессами В. и. с в. в космич. условиях являются: экстинкция света на пылинках, поглощение и рассеяние в линиях, фотопоглощение, тормозное поглощение, комптоновское и томсоновское рассеяние, рождение пар, поглощение фотонов ядрами.
Экстинкция света на космических пылинках приводит к ослаблению блеска и к изменению спектра звёзд — межзвёздному покраснению (см. также Межзвёздное поглощение света). Покраснение происходит из-за усиления экстинкции с уменьшением длины волны. Наряду с ЭПС экстинкцию часто характеризуют фактором эффективности рассеяния Qpacc и фактором эффективности поглощения Qпогл (отношения соответствующих ЭПС к геометрич. сечению сферич. частицы). В случае, когда длина волны излучения l >> 2 p ma (a — размер пылинки, m — показатель преломления вещества пылинки),
Такое рассеяние наз. рэлеевским. Рэлеевское рассеяние может происходить также на молекулах и атомах. Если помимо рассеяния происходит также поглощение излучения (показатель m комплексный), вводится фактор
где Im обозначает мнимую часть. Как видно из приведённых формул, при достаточно больших l поглощение преобладает над рассеянием (Qпогл >> Qрасс).
Поглощение и рассеяние в линиях происходит вследствие переходов электронов в атомах с одного уровня энергии на другой (связанно-связанные переходы). Фотон с частотой vkq поглощается при переходе электрона с нижнего атомного уровня энергии q, соответствующего энергии e q, на верхний уровень k, соответствующий энергии e k, e k — e q = hvkq. ЭПС поглощения (ослабления) в линии зависит от силы осциллятора данного перехода fkq (см. Кривая роста ). Кроме этого, оно зависит от отношения числа атомов, у к-рых на нижнем уровне q есть электрон, а верхний уровень k свободен, к полному числу атомов, т. е. от их распределения по энергиям (см., напр., Болъцмана распределение ).
Важной характеристикой спектральной линии , от к-рой зависят процессы рассеяния и поглощения в линии, явл. её профиль. Профиль спектр. линии j kq и его ширина на половине высоты Dn L определяются соотношением между естеств. шириной линии n 0=8 p 2 e 2 n 2 kq/3mec 3 2,5 . 10 -22 n 2 kq Гц, частотой столкновений n ст и доплеровским уширением линии Dn допл = nT . n kq/c ( nT — тепловая скорость атомов, mе и е — масса и заряд электрона). Обычно полагают, что . Ширина линии n 0 определяет характерное время жизни атома в возбуждённом состоянии t0~ n 0 -1 . Если n 0 >> n ст, то столкновениями можно пренебречь и осн. процессом, определяющим взаимодействие линейчатого излучения с атомами, явл. рассеяние. Если n 0 n ст, за время t0 успевает произойти много столкновений. В этом случае энергия поглощаемого фотона перераспределяется между частицами газа и осн. процессом взаимодействия следует считать поглощение.
В условиях локального термодинамического равновесия предполагается выполненным условие n 0 n ст. При этом коэфф. поглощения излучения с частотой n вблизи частоты n kq:
где Т — темп-pa газа, Nk— концентрация атомов с заселённым уровнем k. При h n kqk и определяется концентрацией атомов Nq с заселённым нижним уровнем q:
Поглощение в линии играет важную роль в формировании оптич. спектров звёзд. Напр., звёзды спектрального класса А имеют водородные линии поглощения Н a , Н b , H g и др., звёзды класса G — линии иона кальция CaII и др. Сравнивая интенсивности определённых линий, можно определить спектр. класс и, следовательно, темп-ру звезды.
Фотопоглощение происходит при связанно-свободных переходах, т. е. при переходах атомарного электрона из связанного состояния в свободное (явление фотоэффекта или фотононизации, см. Ионизация ). Для фотоионизации атома с j-го уровня энергия фотона h n должна быть больше или равна соответствующей энергии ионизации e j). Вылетающий электрон приобретает при этом энергию e e = h n — e j. Энергия ионизации атома водорода из осн. состояния (K-слой, см. в ст. Уровни энергии , раздел II, п. 2) e k 13,6 эВ. Если h n велика по сравнению с e k, то ЭПС фотоэффекта мало. С уменьшением h n ЭПС растёт сначала пропорционально n -3 , а по мере приближения h n к e k — быстрее, как n -7/2 . При h n < e k ионизация K-электронов становится невозможной, и ЭПС резко уменьшается. Последующие скачки ЭПС происходят при h n = e L , e M и т. д. ( e L , e M — энергии ионизации соответственно из L- и М-слоев).
ЭПС фотоэффекта ( s фот) сильно зависит от заряда Zе ядра атома. Для К-слоя mec 2 >> h n >> e k (h n в эВ):
Вклад последующих слоев (L, М и т. д.) относительно мал: s фот(L)/ s фот(K) 0,2 и s фот(M/ s фот(K) 0,05 (h n > e K). Для сценки полного ЭПС фотоэффекта со всех слоев в формулах для s фот(К) нужно ввести дополнит. множитель 1,25. ЭПС фотоионизации водородоподобных ионов (ядро с зарядом Zе и 1 электрон):
где n — значение главного квантового числа в исходном состоянии.
Поглощение за счёт фотоионизации в межзвёздной среде со стандартным хим. составом удобно описывать суммарным ЭПС, пересчитанным на атом водорода (см. рис. 2 в ст. Ионизация ).
Тормозное поглощение связано с изменением состояния свободных электронов (свободно-свободные переходы). Ускоряясь в поле иона, такой электрон может поглотить или излучить фотон. Тормозное поглощение существенно зависит от функций распределения электронов и ионов, наличия магн. поля и пр. Для равновесной плазмы с температурой Т коэффициент тормозного поглощения излучения с частотой n :
где Ne, Ni — концентрации электронов и ионов, m n — показатель преломления, g( n ,T) -фактор Гаунта, приближённо равный при h n e
при Т > 3,6 . 10 5 Z 2 K.
Три рассмотренных типа переходов (связанно-связанные, связанно-свободные и свободно-свободные) могут сопровождаться не только поглощением, но и генерацией фотонов. В соответствии с Кирхгофа законом излучения излучат. способность (мощность излучения) единичного объёма вещества с темп-рой Т в единичном телесном угле и в единичном интервале частот определяется выражением:
e ( n ) = m n 2 B n (T) m ( n ),
где B n (T) — интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в вакууме. Свободно-свободные переходы ответственны за непрерывное излучение солнечной короны, зон НII (ионизованного водорода), планетарных туманностей и т. п. С этим процессом также связывают излучение многих рентг. источников.
Рассеяние на свободном электроне приводит к изменению энергии и направления распространения фотона (см. Комптоновское рассеяние ):
Здесь n и n ‘ — частоты фотона до и после рассеяния, q 1 и q 2 — углы между скоростью электрона ve и волновыми векторами k1 и k2 падающего и рассеянного фотона, q — угол между k1 и k2, e e — полная энергия электрона. При рассеянии на покоящемся электроне длина волны излучения увеличивается на l c(l — cos q ). Постоянная величина l с = h/(m