Молекулярная физика и термодинамика. Лекция №1
Молекулярно-кинетическая теория
Основные положения МКТ
В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:
1. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших… 2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.
Основное уравнение МКТ газов. Температура
В результате каждого столкновения между молекулами и молекул со стенкой скорости молекул могут изменяться по модулю и по направлению; на интервалах… Используя модель идеального газа, вычислим давление газа на стенку сосуда. В… Поэтому изменение импульса молекулы будет равно 2m0υx, где m0 – масса молекулы.
Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы лекция№2
связывающее давление газа с его температурой и концентрацией молекул, получено в §3.2 для модели идеального газа, молекулы которого взаимодействуют… Здесь N – число молекул в сосуде, NA – постоянная Авогадро, m – масса газа в… Произведение постоянной Авогадро NA на постоянную Больцмана k называется универсальной газовой постоянной и…
Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике лекция №3 Основы термодинамики
Термодинамика рассматривает изолированные системы тел, находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Это означает, что в таких системах… Если термодинамическая система была подвержена внешнему воздействию, то в… Одним из важнейших понятий термодинамики является внутренняя энергия тела. Все макроскопические тела обладают…
Испарение, конденсация, кипение. Насыщенные и ненасыщенные пары лекция №4
Все реальные газы (кислород, азот, водород и т. д.) при определенных условиях способны превращаться в жидкость. Однако превращение газа в жидкость… Испарением называется фазовый переход из жидкого состояния в газообразное. С… Конденсация – это процесс, обратный процессу испарения. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость.
Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение Лекция №5
Рис. 3.5.2 иллюстрирует отличие газообразного вещества от жидкости на примере воды. Молекула воды H2O состоит из одного атома кислорода и двух… Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, т. е. изменение… Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Для не очень больших интервалов…
Кристаллические и аморфные тела Лекция №6
Характерной особенностью аморфных тел является их изотропность, т. е. независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от… В кристаллических телах частицы располагаются в строгом порядке, образуя… В каждой пространственной решетке можно выделить структурный элемент минимального размера, который называется…
Деформация
Деформация твердого тела является результатом изменения под действием внешних сил взаимного расположения частиц, из которых состоит тело, и… Существует несколько видов деформаций твердых тел. Некоторые из них… Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия. Ее можно характеризовать абсолютным удлинением…
Электродинамика Лекция № 7
Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами.
О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики.
Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.
Электрический заряд. Закон Кулона
Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.
Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:
Электрическое поле Работа, совершаемая силами электрического поля. Лекция № 8
Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного… Для количественного определения электрического поля вводится силовая… Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на…
Работа в электрическом поле. Потенциал
Рисунок 4.4.1.
Работа электрических сил при малом перемещении заряда q.
Электростатическое поле обладает важным свойством:
Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы…
Проводники и диэлектрики в электрическом поле
Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики.
Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов),… В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется…
Электроемкость. Конденсаторы Лекция №9
Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда q одного из проводников к разности…
В системе СИ единица электроемкости называется фарад (Ф):
Энергия электрического поля
Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.
Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательный перенос… Энергия We конденсатора емкости C, заряженного зарядом Q, может быть найдена путем интегрирования этого выражения в…
Электродинамика
Постоянный электрический ток
Электрический ток. Закон Ома Лекция №10
Однако, в проводниках может при определенных условиях возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое… Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная… Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.
…
Последовательное и параллельное соединение проводников
При последовательном соединении проводников (рис. 4.9.1) сила тока во всех проводниках одинакова:
I1 = I2 = I.
…
Рисунок 4.9.1.
Последовательное … По закону Ома, напряжения U1 и U2 на проводниках равны
U1 = IR1, U2 = IR2.
…
Правила Кирхгофа для разветвленных цепей
В разветвленных цепях можно выделить узловые точки (узлы), в которых сходятся не менее трех проводников (рис. 4.10.1). Токи, втекающие в узел,… В узлах цепи постоянного тока не может происходить накопление зарядов. Отсюда… Алгебраическая сумма сил токов для каждого узла в разветвленной цепи равна нулю:
I1 +…
Работа и мощность электрического тока .Закон Ома для полной цепи. Лекция №11
где U = Δφ12 – напряжение. Эту работу называют работой электрического тока.
Если обе части формулы
RI = U,
выражающей закон Ома для однородного участка цепи с сопротивлением R, умножить на IΔt, то получится соотношение
…
Электрический ток в металлах
Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые… Схема опыта Толмена и Стюарта показана на рис. 4.12.1. Катушка с большим… При торможении вращающейся катушки на каждый носитель заряда e действует тормозящая сила которая играет роль…
Электрический ток в полупроводниках
Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением… Такой ход зависимости ρ(T) показывает, что у полупроводников концентрация… Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В…
Электронно-дырочный переход. Транзистор
В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это… В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются… n–p-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.
Рисунок …
Электрический ток в электролитах Лекция №12
Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза.
Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих… При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение:…
Магнитное взаимодействие токов. Магнитное поле. Действие магнитного поля на проводник с током. Лекция №14
Первыми экспериментами, показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда… По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие… Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи). Магнитное поле возникает в пространстве,…
Сила Лоренца
может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда.
Пусть концентрация носителей свободного заряда в проводнике есть n, а q –… Выражение для силы Ампера можно записать в виде:
F = qnSΔlυB sin α.
…
Магнитное поле в веществе
Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции магнитного…
Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов или элементарных частиц (электронов, протонов и…
Электромагнитная индукция. Правило Ленца. Лекция № 16
Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину
Φ = B · S · cos α,
где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором и нормалью к плоскости контура (рис.…
Самоиндукция. Энергия магнитного поля
Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I:
Φ =…
Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки.…
Электромагнитные колебания и волны. Лекция №17
Общность колебательных и волновых закономерностей проявляется в общности математических уравнений, описывающих процессы различной физической… Поэтому при изучении электромагнитных колебаний и волн мы будем обращаться за…
Квазистационарные процессы. RC- и RL-цепи
Если на каком-то участке цепи происходят изменения силы тока или напряжения, то другие участки цепи могут «почувствовать» эти изменения только через… Квазистационарные процессы можно исследовать с помощью законов постоянного… Из-за огромного значения скорости света время установления электрического равновесия в цепи оказывается весьма малым.…
RLC-контур. Свободные колебания
Когда ключ K находится в положении 1, конденсатор заряжается до напряжения . После переключения ключа в положение 2 начинается процесс разрядки… Закон Ома для замкнутой RLC-цепи, не содержащей внешнего источника тока,… где – напряжение на конденсаторе, q – заряд конденсатора, – ток в цепи. В правой части этого соотношения стоит…
Вынужденные колебания. Переменный ток. Лекция №18
Вынужденные колебания, в отличие от собственных колебаний в электрических цепях, являются незатухающими. Периодический внешний источник обеспечивает… Особый интерес представляет случай, когда внешний источник, напряжение… Если частота ω0 свободных колебаний определяется параметрами электрической цепи, то установившиеся вынужденные…
Закон Ома для цепи переменного тока. Мощность. Лекция № 19
(*)
Эти соотношения во виду напоминают закон Ома для участка цепи постоянного… Соотношения (*) выражают закон Ома для участка цепи переменного тока, содержащего один из элементов R, L и C.…
Трансформаторы. Передача электрической энергии
Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы. Принцип действия… Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с ЭДС e1(t),… Ситуация резко изменяется, когда в цепь вторичной обмотки включается сопротивление нагрузки Rн, и в ней возникает…
Электромагнитные волны . Изобретение радио А.С.Поповым Лекция №20
Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.
Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:
Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.
Приемник А.С. Попова
А.С. Попов использовал удачный индикатор электромагнитных волн, основанный на использовании металлических опилок. Свойство металлических порошков менять свои электрические свойства под действием электромагнитных волн было использовано в приборе, который назывался когерер: в стеклянную трубочку насыпаны мелкие опилки и сделаны металлические выводы из нее.
когерер
Приемник А.С. Попова выглядел так:
внешний вид
схема приемника А.С. Попова
Первая в мире смысловая радиограмма, осуществленная 7 марта 1895 года А.С. Поповым, содержала всего два слова: "Генрих Герц" как дань уважения памяти великого ученого, открывшего дверь в мир радио.
Оптика
Оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Учение о свете принято делить на три части:
геометрическая или лучевая оптика, в основе которой лежит представление о световых лучах; волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются волновые свойства света; квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с веществом, при котором проявляются корпускулярные свойства света.
Основные законы геометрической оптики
Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.
Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет… На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет…
Зеркала
Вследствие закона отражения света мнимое изображение предмета располагается симметрично относительно зеркальной поверхности. Размер изображения… Сферическим зеркалом называют зеркально отражающую поверхность, имеющую форму… Сферические зеркала бывают вогнутыми и выпуклыми. Если на вогнутое сферическое зеркало падает пучок лучей,…
Развитие представлений о природе света Лекция №21
Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение… где c – скорость света в вакууме, υ – скорость распространения света в… Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. В…
Интерференция света. Лекция № 22
Первый эксперимент по наблюдение интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину,…
Рисунок 6.7.2.
Кольца Ньютона в… Ньютон не смог объяснить с точки зрения корпускулярной теории, почему возникают кольца, однако он понимал, что это…
Дифракция света
Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона, но объяснить их на основе корпускулярной теории света оказалось невозможным.… Пусть поверхность S представляет собой положение волнового фронта в некоторый… Рассмотрим в качестве примера простую дифракционную задачу о прохождении плоской монохроматической волны от удаленного…
Спектральные приборы. Дифракционная решетка Лекция №23
Для разложения излучения в спектр в простейшем спектральном приборе используется призма (рис. 6.10.1). Действие призмы основано на явлении… Щель S, на которую падает исследуемое излучение, находится в фокальной… Первый опыт по разложению белого света в спектр был осуществлен И. Ньютоном (1672 г.).
Опыт Ньютона
Мы видим, что nф>nк. Но из волновой теории света следует, что показатель преломлеения n=c/v, где с - скорость света в вакууме, а v - скорость… В начале XIX века, когда Т. Юнг и О. Френель развивали волновую теорию света,… Однако, постепенно накапливались экспериментальные факты, свидетельствующие в пользу поперечности световых волн. Еще в…
Фотоэффект. Фотоны Лекция № 24
Схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта изображена на рис. 8.2.1.
Рисунок 8.2.1.
Схема … В экспериментах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя… Кривые показывают, что при достаточно больших положительных напряжениях на аноде A фототок достигает насыщения, так…
Физика атома и атомного ядра Лекция № 25
На основании исследований Фарадея можно было сделать вывод о существовании внутри атомов электрических зарядов.
Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик… Важным свидетельством сложной структуры атомов явились спектроскопические исследования, которые привели к открытию…
Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома
Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в… От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер,… Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Он находился в резком противоречии с моделью атома…
Квантовые постулаты Бора
Следующий шаг в развитии представлений об устройстве атома сделал в 1913 году выдающийся датский физик Н. Бор. Проанализировав всю совокупность… Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний) гласит: атомная система… Этот постулат находится в явном противоречии с классической механикой, согласно которой энергия движущегося электрона…
Лазеры
Лазеры или оптические квантовые генераторы – это современные когерентные источники излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 1012–1013 Вт (в импульсном режиме). 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, просто в быту и т. д. Хотя первый лазер был построен сравнительно недавно (1960 г.), современную жизнь уже невозможно представить без лазеров.
Одним из важнейших свойств лазерного излучения является чрезвычайно высокая степень его монохроматичности, недостижимая в излучении нелазерных источников. Это и все другие уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.
Чтобы понять принцип работы лазера, нужно более внимательно изучить процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E1, E2 и т. д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом может находиться бесконечно долго в отсутствие внешних возмущений, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны. Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10–8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10–3 с. Такие уровни называются метастабильными.
Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.
Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.
Теперь самое главное. В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным. Вынужденное излучение обладает удивительным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца.
Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.
На рис. 9.4.1 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта.
Рисунок 9.4.1.
Условное изображение процессов (a) поглощения, (b) спонтанного испускания и (c) индуцированного испускания кванта.
Рассмотрим слой прозрачного вещества, атомы которого могут находиться в состояниях с энергиями E1 и E2 > E1. Пусть в этом слое распространяется излучение резонансной частоты перехода ν = ΔE / h. Согласно распределению Больцмана, при термодинамическом равновесии большее количество атомов вещества будет находиться в нижнем энергетическом состоянии. Некоторая часть атомов будет находиться и в верхнем энергетическом состоянии, получая необходимую энергию при столкновениях с другими атомами. Обозначим населенности нижнего и верхнего уровней соответственно через n1 и n2 < n1. При распространении резонансного излучения в такой среде будут происходить все три процесса, изображенные на рис. 9.4.1. Эйнштейн показал, что процесс (a) поглощения фотона невозбужденным атомом и процесс (c) индуцированного испускания кванта возбужденным атомом имеют одинаковые вероятности. Так как n2 < n1 поглощение фотонов будет происходить чаще, чем индуцированное испускание. В результате прошедшее через слой вещества излучение будет ослабляться. Это явление напоминает появление темных фраунгоферовских линий в спектре солнечного излучения. Излучение, возникающее в результате спонтанных переходов, некогерентно и распространяется во всевозможных направлениях и не дает вклада в проходящую волну.
Чтобы проходящая через слой вещества волна усиливалась, нужно искусственно создать условия, при которых n2 > n1, т. е. создать инверсную населенность уровней. Такая среда является термодинамически неравновесной. Идея использования неравновесных сред для получения оптического усиления впервые была высказана В. А. Фабрикантом в 1940 году. В 1954 году русские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский ученый Ч. Таунс использовали явление индуцированного испускания для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны λ = 1,27 см. За разработку нового принципа усиления и генерации радиоволн в 1964 году все трое были удостоены Нобелевской премии.
Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной. Она может служить резонансным усилителем светового сигнала. Для того, чтобы возникала генерация света, необходимо использовать обратную связь. Для этого активную среду нужно расположить между двумя высококачественными зеркалами, отражающими свет строго назад, чтобы он многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Этот процесс в лазерной физике принято называть накачкой.
Начало лавинообразному процессу в такой системе при определенных условиях может положить случайный спонтанный акт, при котором возникает излучение, направленное вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает стационарный режим генерации. Это и есть лазер. Лазерное излучение выводится наружу через одно (или оба) из зеркал, обладающее частичной прозрачностью. На рис. 9.4.2 схематически представлено развитие лавинообразного процесса в лазере.
Рисунок 9.4.2.
Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере.
Существуют различные способы получения среды с инверсной населенностью уровней. В рубиновом лазере используется оптическая накачка. Атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но для этого недостаточно только двух уровней. Каким бы мощным не был свет лампы–накачки, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. В рубиновом лазере накачка производится через третий выше расположенный уровень (рис. 9.4.3).
Рисунок 9.4.3.
Трехуровневая схема оптической накачки. Указаны «времена жизни» уровней E2 и E3. Уровень E2 – метастабильный. Переход между уровнями E3 и E2 безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1. В кристалле рубина уровни E1, E2 и E3 принадлежат примесным атомам хрома.
После вспышки мощной лампы, расположенной рядом с рубиновым стержнем, многие атомы хрома, входящего в виде примеси в кристалл рубина (около 0,05 %), переходят в состояние с энергией E3, а через промежуток τ ≈ 10–8 с они переходят в состояние с энергией E2. Перенаселенность возбужденного уровня E2 по сравнению с невозбужденным уровнем E1 возникает из-за относительно большого времени жизни уровня E2.
Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694 мм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе 106–109 Вт. Исторически это был первый действующий лазер (американский физик Т. Майман, 1960 г.).
Одним из самых распространенных лазеров в настоящее время является газовый лазер на смеси гелия и неона. Общее давление в смеси составляет порядка 102 Па при соотношении компонент He и Ne примерно 10 : 1. Активным газом, на котором возникает генерация на длине волны 632,8 нм (ярко-красный свет) в непрерывном режиме, является неон. Гелий является буферным газом, он участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней неона. Излучение He–Ne лазера обладает исключительной, непревзойденной монохроматичностью. Расчеты показывают, что спектральная ширина линии генерации He–Ne лазера составляет примерно Δν ≈ 5·10–4 Гц. Это фантастически малая величина. Время когерентности такого излучения оказывается порядка τ ≈ 1 / Δν ≈ 2·103 с, а длина когерентности cτ ≈ 6·1011 м, т. е. больше диаметра земной орбиты!
На практике многие технические причины мешают реализовать столь узкую спектральную линию He–Ne лазера. Путем тщательной стабилизации всех параметров лазерной установки удается достичь относительной ширины Δν / ν порядка 10–14–10–15, что примерно на 3–4 порядка хуже теоретического предела. Но и реально достигнутая монохроматичность излучения He–Ne лазера делает этот прибор совершенно незаменимым при решении многих научных и технических задач. Первый гелий-неоновый лазер был создан в 1961 году. На рис. 9.4.4 представлена упрощенная схема уровней гелия и неона и механизм создания инверсной населенности лазерного перехода.
Методы регистрации заряженных частиц
Другим важнейшим прибором для исследования частиц является так называемая камера Вильсона, в которой быстрая заряженная частица оставляет след… Плотность рабочего вещества камеры Вильсона мала, поэтому длина пробега…
Энергия связи ядер Лекция № 26
На основании опытных данных можно заключить, что протоны и нейтроны в ядре ведут себя одинаково в отношении сильного взаимодействия, т. е. ядерные… Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра.
Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные…
Элементарные частицы
Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из… В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно было… В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее…