Строение атомного ядра. Опыты Резерфорда. Неустойчивость атомного ядра. Квантовые постулаты Бора.

Открытие электрона и обнаружение электронов в составе всех атомов было первым доказательством сложности их строения.
А) Модель атома Томсона (1903 г.) «кексовая модель» Томсон предположил, что атом имеет форму шара; положительный заряд распределён равномерно по всему объёму этого шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (как изюм в тесте). Объясняла нейтральность атома.
Б) Опыты Резерфорда. Резерфорд предположил:
1) Рассеяние альфа-частиц на большие углы объясняется тем, что положительный заряд в атоме не распределён равномерно в шаре, а сосредоточен в центральной части атома в области значительно меньших размеров. В этой центральной положительно заряженной части атома атомном ядре сосредоточена почти вся масса атома,
2) Расчёты Резерфорда показали, что напряжённость электрического поля вблизи атомного ядра по модели Резерфорда должна быть больше напряжённости поля у поверхности атома по модели Томсона, Такое возрастание напряжённости электрического поля и делало возможным рассеяние альфа-частиц на большие углы, В ТОМ числе и в обратном направлении.
3) атом устроен подобно планетной системе, как вокруг Солнца на больших расстояниях от него обращаются планеты, так вокруг ядра в атоме обращаются электроны. Радиус удалённого от ядра электрона и есть радиус атома. Такая модель строения атома была названа планетарной или ядерной моделью.
Отличительные свойства. Физическая природа сил, удерживающих планеты и электроны на их орбитах: планеты притягиваются к звездам силами всемирного тяготения, а во взаимодействии электронов с атомным ядром основную роль играют силы кулоновского притяжения разноименных электрических зарядов. Силы гравитационного притяжения между электроном и атомным ядром ничтожно малы по сравнению с электромагнитными.
Неустойчивость атома Резерфорда. Любое ускоренное движение электрических зарядов сопровождается излучением электромагнитных волн. Движение по окружности является ускоренным движением, поэтом электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной
частоте его обращения вокруг ядра. Это должно приводить к уменьшению энергии электрона, постепенному его приближению к атомному ядру и падению на ядро.
Квантовые постулаты Бора. 1. Электроны могут двигаться вокруг ядра атома только по строго определённым орбитам, соответствующим одному из энергетических уровней атома
2. Когда электрон движется по одной из разрешённых орбит, атом находится в устойчивом состоянии, т.е. не излучает и не поглощает энергию
3. Когда электрон перескакивает с одной из дозволенных орбит на другую, более близкую к ядру, атом испускает квант энергии в виде излучения, частота которого определяется формулой Планка
Вывод: величина кванта, испускаемого атомом при переходе из одного устойчивого состояния в другое, равна разности значений энергии атома в этих двух состояниях.

63. Оптический квантовый генератор. Принцип работы и применение. Спонтанное и индуцированное излучение.

Оптический квантовый генератор или лазер – прибор для усиления света с помощью индуцированного излучения.

Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома на одного состояния в другое, называется спонтанным (самопроизвольным) Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.
В 1916 г. А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона с верхнего энергетического уровня на нижний с излучением фотона может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля с частотой, равной собственной частоте перехода. Такое излучение называют вынужденным или индуцированным.
Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при совпадении частоты электромагнитного поля с собственно частотой излучения возбужденного атома, возникающего при переходе на более низкий
энергетический уровень. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, получаются два совершенно одинаковых по энергии и направлению движения фотона-близнеца.
Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно. Именно это свойство индуцированного излучения положено в основу устройства лазеров.
Для того чтобы мощность светового излучения увеличилась после прохождения через вещество, больше половины атомов вещества должно находиться в возбужденном состоянии. Состояние, при котором больше половины атомов вещества находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с инверсной населённостью уровней.
В результате, при прохождении света нужной частоты через вещество с инверсной населённостью уровней, поток света усиливается, а не ослабляется.

Система атомов с инверсной населённостью уровней способна не ТОЛЬК() усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение для работы к режиме генератора необходима положительная обратная связь, при которой
часть сигнала с выхода устройства подаётся на его вход. для этого активная среда, в которой создаётся инверсная населённость уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал.
В результате одного из спонтанных переходов с метастабильного уровня на основной образуется фотон. При его движении в сторону одного из зеркал он вызывает индуцированное излучение других атомов, и к зеркалу подходит целая лавина фотонов с равной энергией каждый. После отражения от зеркала лавина фотонов движется в противоположном направлении, попутно заставляя высвечиваться всё новые возбужденные атомы, и т.д. Процесс продолжается до тех пор, пока существует инверсная населенность уровней.

Впервые свойства вещества с инверсной заселённостью энергетических уровней теоретически (1939 г.) и экспериментально (1951 г.) исследовал московский физик В.А. Фабрикант. В 1954 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров (СССР) и независимо от них Ч. Таунс (США) создали первый квантовый генератор на молекулярном пучке аммиака, работающий в диапазоне сантиметровых волн. Первый оптический генератор на кристалле рубина создал Т. Мейманг в 1960 г.
Он состоит из искусственного рубинового стержня, торцы которого строго параллельны, гладко отполированы и покрыты серебром, причём левый торец делается непрозрачным, а правый (выходной) полупрозрачным. Световое излучение лазера создаётся атомами хрома, для возбуждения которых служит лампа накачки мощная импульсная газоразрядная трубка, спирально закрученная вокруг стержня. Мощная вспышка лампы переводит большинство атомов хрома в возбужденное состояние. За время порядка долей миллисекунды все возбужденные атомы хрома переходят в нормальное состояние, и излучение лазера прекращается. Рубиновый лазер испускает короткие, но очень мощные вспышки красного света. При работе лазера выделяется много тепла и необходимо его охлаждение.
В газовых лазерах излучение создаётся разреженным газом, атомы которого возбуждаются высокочастотным электрическим током. Газовые лазеры создают непрерывное излучение. Оно менее мощное, чем излучение лазеров на твёрдом теле, зато ещё более направленное и монохроматическое.
Применение • Прокладка туннелей и при укладке трубопроводов.
• В военном деле для наведения управляемых снарядов
• Мощные лазеры, в частности инфракрасные лазеры на углекислом газе, используются для обработки материалов.
• Лазерные пучки нашли широкое применение в офтальмологии. С их помощью производятся операции на хрусталике и сетчатке глаза. Возможность «приваривать» отслоившуюся сетчатку к глазному дну позволяет избавить многих больных от неизбежной слепоты.
• С помощью лазеров удалось реализовать новый метод получения изображений - голографию.
• На монохроматическом когерентном лазерном пучке с помощью волоконной оптики может быть осуществлена кабельная, телефонная, вещательная и телевизионная связь.
• В настоящее время ведутся серьезные исследования возможности осуществления лазерного термоядерного синтеза.