Кафедра физики ЛЕКЦИЯ 7 26 октября 2012 г. ПЛАН ЛЕКЦИИ 1. Спектр атома водорода. 2. Конфигурация 1 s – состояния атома водорода. 3. Спонтанное и вынужденное излучения атомов. 4. Нормальная и инверсная энергетических уровней. 5. Принцип работы квантового Рубиновый и газовый лазеры. Общая физика. АТОМ ВОДОРОДА В КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ заселенности генератора. 1
0 -2 -4 n 5 4 3 p l=1 s l=0 d l=2 f l=3 g l=4 Кафедра физики СПЕКТР АТОМА ВОДОРОДА. Серия Пашена 2 Серия Бальмера np 2 s, ns 2 p, nd 2 p (n = 3, 4, …). -6 -8 -10 Серия Лаймана -12 np 1 s, (n=2, 3, …). В атоме возможны не все переходы между уровнями, а только те, при которых орбитальное квантовое число l изменяется на единицу: l = 1. Это условие называется правилом отбора. Покажем некоторые переходы, разрешенные правилом отбора. -13, 6 1 Энергия, э. В Общая физика. АТОМ ВОДОРОДА В КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ 2
Кафедра физики СПЕКТР АТОМА ВОДОРОДА. Вырожденные и невырожденные состояния электрона. В атоме одному энергетическому уровню En с заданным n соответствует несколько электронных состояний, отличающихся значениями l, m. Энергетический уровень называется невырожденным, если ему соответствует только одно квантовое состояние g. Если уровню соответствует несколько квантовых состояний, то он называется вырожденным. Кратность вырождения уровня - число различных состояний. , соответствующих определенному энергетическому уровню. Вычислим кратность вырождения энергетического уровня En с заданным значением n. Общая физика. АТОМ ВОДОРОДА В КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ 3
Кафедра физики СПЕКТР АТОМА ВОДОРОДА. Вырожденные и невырожденные состояния электрона. Орбитальное квантовое число l может изменяться от 0 до (n – 1). При этом каждому значению l соответствует 2 l+1 различных значений m. Общее число состояний суммированием по l: при заданном n определяется С учетом четвертого квантового числа - спина частицы, кратность вырождения уровня с заданным n увеличится в два раза (спиновое квантовое число ms принимает два значения): Общая физика. АТОМ ВОДОРОДА В КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ 4
Кафедра физики КОНФИГУРАЦИЯ 1 s – СОСТОЯНИЯ АТОМА ВОДОРОДА. Пространственное распределение вероятности обнаружить электрон вблизи ядра зависит от квантовых чисел n, l, m (нерелятивистский случай). Пример: 1 s – состояние атома (наиболее простое). Все волновые функции, соответствующие s – состояниям атома, сферически симметричны. Вероятность обнаружения электрона в сферическом слое объемом равна (без вывода): Вывод: вероятность обнаружить электрон вблизи ядра зависит только от r. Покажем условно на рисунке распределение вероятности встретить электрон в сферическом слое единичной толщины радиусом r. Общая физика. АТОМ ВОДОРОДА В КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ 5
Кафедра физики КОНФИГУРАЦИЯ 1 s – СОСТОЯНИЯ АТОМА ВОДОРОДА. Электронное «облако» Ядро r = 0, 58· 10 -8 см С наибольшей вероятностью электрон атома водорода в 1 s – состоянии «бывает» в сферическом слое радиусом 0, 58· 10 -8 см. Это соответствует первому боровскому радиусу орбиты электрона в невозбужденном атоме водорода. В остальных слоях пространства вокруг ядра электрон бывает реже. Общая физика. АТОМ ВОДОРОДА В КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ 6
Кафедра физики СПОНТАННОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМОВ. При поглощении электронами энергии могут происходить вынужденные переходы с низких на высокие уровни. Обратные переходы (спонтанные или самопроизвольные), приводят к испусканию атомами квантов света с частотой. А. Эйнштейн - двух видов переходов недостаточно для объяснения существования равновесия между излучением и поглощением энергии веществом. Должны существовать дополнительные переходы с испусканием квантов света. Общая физика. Принцип работы квантового генератора 7
Кафедра физики СПОНТАННОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМОВ. Такие переходы существуют. индуцированные переходы. Это вынужденные или Итак, существуют излучающие переходы двух типов: спонтанные (самопроизвольные) переходы и вынужденные (индуцированные) переходы, происходящие под влиянием внешнего облучения с частотой, близкой к частоте. Свойства спонтанного и вынужденного излучений. Пусть атом имеет два возможных состояния: состояние 1 с более низкой энергией (нормальное) и состояние 2 – возбужденное. Общая физика. Принцип работы квантового генератора 8
СПОНТАННОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМОВ. Вынужденный переход с поглощением Спонтанное излучение 2 2 1 Атом из состояния 2 через ~ 10 -8 -10 -6 с самопроизвольно переходит на уровень 1, излучая при этом квант энергии. Спонтанное излучение некогерентное. Кафедра физики 1 Переходы, индуцированные световым квантом могут быть с поглощением и излучением. Поглотивквант света частотой. , атом из состояния 1 переходит в возбужденное состояние 2. Общая физика. Принцип работы квантового генератора 9
Кафедра физики СПОНТАННОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМОВ. Вынужденный переход с излучением 2 1 Если атом находится в возбужденном состоянии 2, то квант света частотой может индуцировать переход атома в нормальное состояние 1. При этом атом излучает два кванта света: первичный с частотой и вторичный с частотой. Вторичные фотоны неотличимы от первичных. Таким образом, индуцированное излучение когерентно и сонаправлено с внешним электромагнитным излучением, вызвавшим переход. Общая физика. Принцип работы квантового генератора 10
Кафедра физики НОРМАЛЬНАЯ И ИНВЕРСНАЯ ЗАСЕЛЕННОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ Воздействующая на вещество электромагнитная волна с частотой , совпадающей с одной из частот атомов вещества ( ), будет вызывать два процесса: вынужденный переход. с энергетически более низкого уровня на более высокий и вынужденный переход. Первый переход ослабляет падающий поток, второй – увеличивает интенсивность падающей волны. Результат: зависит от того, какой из процессов преобладает. Из статистической физики: число атомов в нормальном (более низком) энергетическом состоянии больше числа возбужденных атомов. Поэтому электромагнитное излучение при прохождении через вещество ослабляется. Но: можно создать состояние, при котором число возбужденных атомов будет больше числа атомов в нормальном состоянии. Это инверсное (обращенное) состояние. Неравновесное. Общая физика. Принцип работы квантового генератора 11
Кафедра физики НОРМАЛЬНАЯ И ИНВЕРСНАЯ ЗАСЕЛЕННОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ Процесс перевода вещества в состояние с инверсной заселенностью - накачка. Способы накачки: оптические, тепловые, химические, электроионизационные, другие. Среда, заполненная веществом с инверсной заселенностью, называется активной средой. В веществе с инверсной заселенностью уровней электромагнитное излучение, проходящее через вещество, усиливается. Вывод: среда с инверсной заселенностью энергетических уровней усиливает электромагнитное излучение с частотой Использование: оптические квантовые генераторы – лазеры, генераторы микроволнового излучения – мазеры. Первые квантовые генераторы созданы в 1954 году Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым (советские ученые) и Таунсом (США). Общая физика. Принцип работы квантового генератора 12
Кафедра физики ПРИНЦИП РАБОТЫ КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА. Принцип работы лазера. Лазер имеет три компонента: 1). Активную среду, в которой создается состояние с инверсной заселенностью энергетических уровней; 2). Систему накачки для создания инверсии в активной среде; 3). Оптический резонатор, формирующий световой пучок. Простейший резонатор – это пара обращенных друг к другу плоских или вогнутых зеркал. Между зеркалами помещается активная среда. Такая система называется открытый резонатор. Для вывода излучения лазера одно из зеркал делается частично прозрачным. Рассмотрим схему открытого резонатора Общая физика. Принцип работы квантового генератора 13
ПРИНЦИП РАБОТЫ КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА. Кафедра физики Накачка Атом излучает световую волну. Волна усиливается, проходя через активную среду. Чем больше путь волны в активной среде, тем больше усиление световой волны. Зеркало Активная среда Полупрозрачное зеркало Фотоны, движущихся вдоль оптической оси, многократно отражаются от зеркал резонатора и максимально усиливаются. Общая физика. Принцип работы квантового генератора 14
ПРИНЦИП РАБОТЫ КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА. Кафедра физики Накачка Число фотонов, движущихся вдоль оптической оси, лавинообразно нарастает. Зеркало Активная среда Полупрозрачное зеркало Достигнув полупрозрачного зеркала, излучение частично выйдет наружу, частично отразится, и будет вновь использоваться для генерации лазерного излучения. Усиленный и вышедший сквозь полупрозрачное зеркало поток фотонов создает направленный световой пучок большой яркости. Общая физика. Принцип работы квантового генератора 15
Кафедра физики РУБИНОВЫЙ И ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕРЫ. РУБИНОВЫЙ и ГЕЛИЙ-НЕОНОВЫЙ ЛАЗЕРЫ – изучить самостоятельно. Общая физика. Принцип работы квантового генератора 16
Кафедра физики СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 1. Высокая временная и пространственная когерентность. Временная когерентность лазера примерно на семь порядков выше, чем для обычных источников света. 2. Строгая монохроматичность. . 3. Большая плотность потока энергии. Плотность потока энергии лазера может составлять величину около 2· 1010 Вт/м 2. 4. Очень малое угловое расхождение в пучке. Пример: при специальной фокусировке луч лазера, направленный с Земли, дал бы на поверхности Луны пятно диаметром около 3 км. Для сравнения: луч прожектора осветил бы поверхность луны диаметром примерно 40000 км. К. п. д. лазеров колеблется от 0, 01% (гелий-неоновый) до 75% (лазер на стекле с ниодимом). У большинства лазеров к. п. д. составляет 0, 1 – 1%. Мощные СО 2 – лазеры непрерывного действия, генерирующие инфракрасное излучение - к. п. д. примерно 30% Общая физика. Принцип работы квантового генератора 17
Кафедра физики ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ 1. Техническое применение: обработка, резание, сварка твердых материалов, создание калиброванных отверстий, дефектоскопия. 2. Медицина: хирургический нож. 3. Ядерная энергетика: химическое разделение изотопов, например, урана. 4. Экология: мониторинг окружающей среды. 5. Измерительная техника: стандарты частоты, лазерные сейсмографы, интерферометрия: сверхточные измерения линейных перемещений, юстировочные и нивелировочные операции, измерения параметров сред – коэффициенты преломления, давление, температура. 6. Голография. 7. Бытовое применение: воспроизводство видео- и аудиоинформации с оптических носителей (компакт - дисков) и т. д. Общая физика. Принцип работы квантового генератора 18
Скачать презентацию Кафедра физики ЛЕКЦИЯ 7 26 октября 2012 г
Лекция 7 Спектр атома водорода, лазеры.ppt