Оптические квантовые генераторы.

Лазеры или оптические квантовые генераторы – это современные когерентные источники излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств.

Лазеры находят широкое применение:

-в военной технике;

-в технологии обработки материалов;

-в медицине;

-в оптических системах навигации, связи и локации;

-в прецизионных интерференционных экспериментах;

-в химии и т. д.

 

Свойства лазерного излучения:

-высокая степень монохроматичности и когерентности, недостижимая в излучении других источников;

-поляризованность;

-большая мощность;

-узкая направленность излучения.

 

Уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.

Усиление света, испускаемого обычными источниками, в принципе, не возможно. Такое усиление возможно только в инверсных средах.

В атоме существует два типа состояний:

- стабильное (основное) – с наименьшей энергией – в этом состоянии атомы (электроны) могут находиться сколько угодно долго;

- нестабильное (возбужденное) – состояние, в котором атом может находиться очень короткое время (≈10^-8с);

- промежуточное – метастабильное состояние.

Создание лазеров стало возможным после нахождения сред с метастабильными состояниями.

Метастабильное состояние позволяет получить так называемые инверсные среды.

Инверсные среды – среды, в которых число электронов на верхнем уровне больше числа электронов на нижнем уровне. n₂>n₁

Согласно распределению Больцмана: в обычных средах n₁ всегда должно быть больше n₂ (N₁>N₂).

Второе необходимое условие для реализации усиления света: использование индуцированного излучения.

Индуцированное излучение – излучение атомов при переходе электронов с верхнего энергетического уровня на нижний уровень в присутствии внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода.

Рассмотрим двухуровневую атомную систему:

В обычных средах индуцированный переход не приводит к усилению света, а наоборот приводит к поглощению, так как атомов на верхнем уровне меньше, чем на нижнем, согласно распределению Больцмана.

Рассмотрим усиление света на примере твердотельного лазера, рабочим веществом которого является рубин с примесью атомов хрома.

 

 

Рис. Схема энергетических уровней примесей атомов хрома

При облучении рубинового стержня внешним световым источником атомы из основного состояния Е₁ перебрасываются на уровень Е_3.

Уровень Е₃ – нестабильный, с уровня Е₃ атомы спонтанно переходят на близ лежащий уровень Е₂, который оказывается метастабильным.

Какой-то атом с верхнего уровня Е₂ спонтанно перейдет на уровень Е_1, при этом возникнет квант излучения .

Этот квант индуцировано вызовет переход другого атома на нижний уровень.

Возникнет два кванта. Эти два кванта вызовут переход еще двух атомов, и начнется «обвальный» процесс индуцированного перехода атомов с уровня Е₂ на уровень Е_1.

Чтобы получить излучение, происходящее в момент времени, обладающее энергией определенного уровня, ставят резонатор в виде двух параллельных зеркал.

 

37. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.

Радиоактивностью называется явление самопроизвольного превращения одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием невидимых излучений.

Эти лучи можно обнаружить по ионизации воздуха, свечению некоторых веществ, выделению тепла, химическим превращениям.

Радиоактивное излучение обладает свойствами:

- имеет большую проникающую способность;

- воздействует на завёрнутую в чёрную бумагу фотопластинку;

- способно ионизовать воздух;

- сопровождается выделением тепла;

- вызывает свечение некоторых веществ.

 

Радиоактивное излучение:

- α-излучение

- β-излучение

- γ-излучение

 

α-излучение – поток ядер гелия (₂Не⁴).

Заряд α-частицы равен +2е (е-заряд электрона), а масса = 4 массам протона, поэтому α-частица считается «тяжелой» частицей.

Двигаясь в веществе, α-частица испытывает соударение с атомами вещества и производит ионизацию атомов.

На пути в 1 см α-частица создает ≈1,3*10⁵ пар ионов и быстро теряет энергию.

Пробеги α-частиц в воздухе составляют (2-10) см.

Вывод: при сильной ионизации способности α-частица имеет малую проникающую способность.

 

β-излучение – поток электронов, скорость которых близка к скорости света.

Благодаря большой скорости β-частицы пролетают мимо атома вещества за время в (10-15) раз меньше, чем α-частицы.

Вследствие этого, уменьшается вероятность ионизации атома вещества при столкновении его с β-частицей, и число пар ионов, образованных на пути в 1 см при прохождении β-частиц, в 100 раз меньше, чем при прохождении α-частиц.

По этой причине β-частица обладает гораздо большей проникающей способностью, чем α-частица. В воздухе пробег β-частицы составляет около 1 м.

 

γ-излучение – короткие электромагнитные волны, длиной волны порядка (10^-3 – 10^-5) нм.

Они обладают очень большой проникающей способностью и очень слабой ионизирующей способностью.

На пути в 1 см в воздухе ионизируется 1-2 атома вещества.

 

Искусственная радиоактивность –

В 1934 году супругами Жолио-Кюри была открыта искусственная радиоактивность.

Искусственная радиоактивность возникает при бомбардировке ядер некоторых химических элементов α-частицы.

При искусственной радиоактивности вещества испускают позитроны (е+).

 

Применение радиоактивности:

- в качестве радиоактивных индикаторов;

- источников излучения (γ -дефектоскопия в промышленности, лучевая терапия в медицине);

-метод меченых атомов (широко используется в биологии, физике, медицине);

-в сельском хозяйстве;

-в геологии.

 

Радиоактивные превращения

Радиоактивное изучение всегда сопровождается химическим превращением излучающего элемента.

При вылете α-, β-частиц происходит изменение ядра, изменяется заряд.

Масса, то есть ядро одного элемента, превращается в ядро второго элемента.

 

Радиоактивное превращение подчиняется закономерностям:

При α-распаде возникает новый элемент с атомным весом на 4 единицы меньше и стоящий на 2 клетки ближе к началу таблицы.

_zX^A → _z-2У^A-4+ ₂α⁴

Существует 3 разновидности β-распада.

 

Электронный распад:

_zX^A → _z+1У^A+ _-1е⁰+

так же испускается антинейтрино (

Пример: ₉₀Th²³⁴ → ₉₁Pa²³⁴+ _-1е⁰+

 

Позитронный распад:

_zX^A → _z-1У^A+ ₊₁е⁰+

также испускается нейтрино (

Пример: ₇N¹³ → ₆C¹³+ ₊₁е⁰+

 

Электронный захват:

Заключается в поглощении одного из k-электронов своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон.

р+е à n+v

_zX^A → _-1е⁰ à _z-1У^A+

Пример: ₁₉К⁴⁰ + _-1е⁰ à ₁₈Ar⁴⁰+

 

γ-излучение:

Не приводит к изменению порядкового номера элемента, так как возникает при переходе ядра с одного возбужденного состояния в основное.

Распадающееся радиоактивное ядро неустойчивое и обладает избытком энергии.

Новое ядро может оказаться так же неустойчивым и испытать дальнейшее превращение.

В результате этого образуется радиоактивный ряд. На Земле наиболее распространенными радиоактивными рядами являются: уран, торий, актиний.

Все три ряда оканчиваются нерадиоактивным свинцом.

 

Закон радиоактивного распада.

Процесс распада представляет собой вероятностный процесс.

При наличии большого числа ядер, можно вычислить, сколько ядер в среднем подвергается радиоактивным превращениям в течение заданного интервала времени.

 

Из общих соображений следует, что число нераспавшихся ядер пропорционально числу ядер и времени распада: dN ~ Ndt

Запишем

, =>

 

 

Период полураспада – время, в течение которого половина ядер испытывает радиоактивный распад.

Пример:

₈₄Po²¹⁰ – период полураспада равен 140 дней.

Т и связаны между собой. Получим эту связь.

 

Число ядер, распавшихся к моменту времени: .

Активность радиоактивного препарата-число распадов в единицу времени:

Активность тоже изменяется по закону радиоактивного распада:

Единицы измерения в СИ: А=[1 Бе]

1Ки=3.7*10^10 распадов/с (соотв. активности 1г радия)

 

Воздействия облучения характеризуется поглощенной дозой, энергией, поглощенной единицей массы вещества.

Измеряется в 1 Грей = Дж/кг