Понятие о квантовых генераторах.

⇐ ПредыдущаяСтр 30 из 40Следующая ⇒

В 1955 году появилась отрасль физики – квантовая электроника, развитие которой привело к созданию квантовых генераторов – мазеров и лазеров. Квантовый генератор представляет собой источник когерентного электромагнитного излучения со строго определенной частотой и высокой направленностью. Мазер излучает в микроволновой области, а лазер - в видимой и инфракрасной областях. Первые квантовые генераторы были созданы советскими физиками Н.Г.Басовым и А.М. Прохоровым.

Рассмотрим принцип действия оптического квантового генератора – рубинового лазера, созданного в 1960 году. Он состоит из искусственного рубинового стержня (окись алюминия с примесью хрома), торцы которого строго параллельны, гладко отполированы и покрыты серебром. Причем левый торец делается непрозрачным, а правый (выходной) – полупрозрачным. Световое излучение лазера создается атомами хрома, для возбуждения которых служит лампа подкачки – мощная импульсная газоразрядная трубка, спирально закруженная вокруг стержня. Мощная вспышка лампы переводит большинство атомов хрома в возбужденное состояние.

Пусть какой-нибудь из возбужденных атомов хрома самопроизвольно испускает фотон, летящий вдоль оси стержня. Этот фотон вызывает индуцированное излучение других атомов хрома и образуется лавина фотонов. Поскольку волны, соответствующие этим фотонам, точно совпадают по фазе, возникает электромагнитная волна с непрерывно увеличивающейся амплитудой. Дойдя до зеркального торца, она отражается и проходит вдоль стержня в обратном направлении. В результате многократного отражения возникает стоячая волна с быстро увеличивающейся амплитудой. При этом расстояние между зеркальными торцами стрежня содержит целое число полуволн и рубиновый стержень таким образом представляет собой объемный резонатор. При отражении от полупрозрачного зеркала на выходном торце стержня часть света выходит наружу, образуя чрезвычайно мощное монохроматическое когерентное излучение, называемое лазерным лучом. Излучение, вызванное фотонами, движущимися под каким-то углом к оси стержня, не может многократно отражаться от зеркальных торцов и усиливается. Этим объясняется высокая направленность излучения лазера.

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 создается разреженным газом, атомы которого возбуждаются высокочастотным электрическим током. Газовые лазеры создают непрерывное излучение. Оно менее мощное чем излучение лазеров на твердом теле, зато еще более направленное и монохроматическое. Недостаток лазеров – низкий к.п.д. (менее 1%). Однако в настоящее время созданы полупроводниковые лазеры с высоким к.п.д., представляющие собой светодиоды, работающие при огромной плотности тока.

Лазеры применяют в самых различных областях науки и техники. Направляющий лазерный луч используется при прокладке туннелей и при укладке трубопроводов, в строительстве, в навигации, в военном деле – для наведения управляемых снарядов. В сфокусированном лазерном луче испаряются самые тугоплавкие материалы. Это явление используется для получения тончайших отверстий в керамике, сверхтвердых сплавах, алмазе, полупроводниковых материалах, а также для их резки. Высокая направленность излучения лазеров используется для радиолокации Луны, Венеры, Марса обеспечивая высокую точность.

Когерентность лазерного излучения позволяет использовать луч лазера, как и любую электромагнитную волну, для передачи информации. Так как с увеличением частоты увеличивается объем информации, который она может передавать, то лазерный луч может передавать в тысячи раз больше информации, чем радиоволны.

ЗАДАЧИ К БЛОКУ 23

1. Выразим работу 5 ЭВ в Дж.

Решение:

Электронвольтом называется работа, совершаемая электрическим полем при перемещении электрона между двумя точками с разностью потенциалов в 1 В.

Так как работа выражается формулой: А = е× U, то

1 ЭВ = 1, 6× 10^-19 Кл × 1 В = 1, 6 × 10^-19 Дж

5 ЭВ = 5× 1, 6 × 10^-19 Дж = 8× 10^-19 Дж

2. Работа выхода у серебра 4, 74 ЭВ. Возникнет ли фотоэффект в серебре при освещении его видимыми лучами?

Дано:

h = 6, 62× 10^-34 Дж× с

А_В = 4, 74 ЭВ

С = 3 × 10⁸ м/с

________________

l_кр -?

Решение:

Фотоэффект еще можно наблюдать если энергия квантов равна работе выхода: Откуда:

Переведем работу в Дж: 4, 74 ЭВ=4, 74 × 1, 6 × 10^-19 Дж =7, 58× 10^-19 Дж

Размерность искомой величины очевидна.

Ответ: Нет.

3. Работа выхода электрона из кадмия 4, 08 ЭВ. Какой должна быть длина волны излучения, падающего на кадмий, чтобы при фотоэффекте максимальная скорость фотоэлектронов была 5× 10⁵ м/с.

Дано:

m = 9, 1 × 10^-31кг

А_В = 4, 08 ЭВ

u_макс = 5× 10⁵ м/с

h = 3× 10⁸ м/с

_____________

l -?

Решение:

Запишем уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: Значит:

Откуда выразим l:

Ответ: 2, 59× 10^{-7 м.}

4. Длина волны, соответствующая красной границе фотоэффекта для натрия составляет 530 нм. Определить работу выхода электрона из натрия.

Дано:

l_кр = 530× 10^{-9 м}

h = 6, 62× 10^-34 Дж× с

С = 3× 10⁸ м/с

________________

А_В - ?

Решение:

Ответ: 2, 34 ЭВ

5. Красная граница для цезия равна 653 нм. Определить скорость электронов при облучении цезия оптическим излучением с длиной волны l = 400 нм.

Дано:

l_кр = 653× 10^{-9 м}

l = 400× 10^{-9 м}

h = 6, 62× 10^-34Дж× с

С = 3× 10⁸ м/с

m = 9, 1× 10^{-31 кг}

_______________

u -?

Решение:

Работу выхода можно найти по формуле:

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

Ответ: 1, 3× 10⁶ м/с

6. Определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов калия при его освещении излучением с длиной волны 500 нм. Работа выхода из калия равна 2, 26 ЭВ.

Дано:

l = 500× 10^{-9 м}

А_В= 2, 26 ЭВ

h = 6, 62× 10^-34 Дж× с

С = 3× 10⁸ м/с

_______________

Е_макс –?

Решение: