В.А. Горбаренко - Излучения, атомная и ядерная физика (1022086), страница 11
Текст из файла (страница 11)
При этомвторое зеркало резонатора как бы отсутствует и его добротностьравна нулю. В этом случае даже если накачка создает инверсиюнаселенности, генерация начаться не может.Если в момент работы накачки отключить напряжение сячейки Керра, зеркало откроется, добротность резонатора резковозрастет и все ионы, накопившиеся в возбужденном состоянии,одновременно перейдут в основное с излучением гигантскогосветового импульса.Такой режим работы лазера называется режимом модулированной добротности. Он позволяет получать короткие световыеимпульсы с большой энергией в одном импульсе.Существуют и другие способы модуляции добротности резонатора.Лазеры на алюмо-иттриевом гранате являются самыми популярными из твердотельных лазеров.
Активной средой этих лазеров является кристалл Y3Al5O12, в котором часть ионов Y 3+ за+мещена ионами Nd3 . Такой лазер работает по четырехуровневойсхеме (рис.5.8) . Наиболее широко используемой является лазерная линия с длиной волны 1,06 мкм. Две основные полосы накачки расположены на длинах волн 0,73 и 0,8 мкм. С этих полос ионы безизлучательно релаксируют на верхний долгоживущий лазерный уровень (уровень Е2 на рис.5.8, время жизни атома наэтом уровне τ∼0,23 мс), а нижний короткоживущий лазерныйуровень (уровень Е1 на рис.5.8) релаксирует также безызлучательно в основное состояние.67В качестве накачки в лазере на алюмо-иттриевом гранатеиспользуеся излучение газоразрядных ламп (например, ксеноновая), работающих также вимпульсном режиме, а в последние годы − излучение полупроводниковых лазеров, чтопозволяет существенным образом увеличить коэффициентполезногодействияYAGлазеров.Типичные параметры лаРис.5.8зера на алюмо-иттриевом гранате: длительность импульса − 0,1÷40 нс, средняя мощность10÷1000 Вт, импульсная мощность 10 кВт÷10 МВт.Гелий-неоновый лазер.
Инверсия населенности в гелийнеоновом лазере достигается при помощи газового разряда. В газовом разряде электроны ускоряются электрическим полем,сталкиваются с атомами и ионизуют их, вызывая появление вторичных электронов, которые в свою очередь также ускоряются, ит.
д. Часть атомов при столкновениях не ионизуется, а возбуждается. При определенных условиях (давлении газа, напряжении натрубке) доля возбужденных атомов может оказаться столь велика, что возникнет инверсия населенности.В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы Ne. Они могут быть возбуждены непосредственно в газовом разряде. Однако времена жизни уровней неона таково, что инверсная населенность, создаваемая таким образом, невелика. Поэтому дополнительно используется резонансная передача возбуждения атомами гелия, которые присутствуют в разряде в качестве примеси. При этом используется тот факт, чтоэнергии уровней E2 и E3 гелия весьма близки к энергиям уровнейE4 и E5 неона.
Для того, чтобы процесс передачи энергии эффективно шел от He к Ne, а не наоборот, отношение парциальныхдавлений He и Ne должно быть приблизительно 3:1.68Рабочими переходами Ne являются переходы E5→E3 иE4→E3, при этом длины волн лазерного излучения равны λ53=0,63мкм и λ43=1,15 мкм. Выбор длины волны излучения He-Ne лазера осуществляется выбором типаинтерференционных зеркал. Энергетический уровень E3 опустошается засчетбезизлучательныхпереходов на уровень E2.Схема энергетических уровней и электронные переходы гелия и неонаизображенынарис.5.9.Опустошениеэнергетического уровняE2 атомов неона происхоРис.5.9.дит, в основном, в процессе столкновения атомов со стенками газоразрядной трубки.Это накладывает ограничения на диаметр газоразрядной трубки,а следовательно, и на объем рабочей среды, что является принципиальным ограничением мощности гелий-неоновых лазеров.Полупроводниковые лазеры.
Для создания инверсной населенности в полупроводниковых лазерах используется p-n переход − контакт полупроводников двух типов, один из которых обладает электронной проводимостью, другой − дырочной, приэтом инверсия населенности создается именно в области p-n перехода при подаче на переход прямого напряжения. В лазере может использоваться один переход, например, переход, возникающий при контакте n-GaAs/p-GaAs (фактически это обыкновенный полупроводниковый диод), или несколько переходов, например n-GaAs/p-GaAs/p-AlGaAs (лазер на гетероструктуре).В качестве зеркал в полупроводниковых лазерах частоиспользуются просто полированные торцевые поверхностисамого диода (гетероструктуры).
В качестве накачки69используется поданное на диод напряжение. Эти два фактораделают полупроводниковый лазер крайне простым приизготовлении и экономичным при использовании. Коэффициентполезного действия полупроводникового лазера, то есть доляподанной энергии, которая переходит в энергию лазерногоизлучения, может составлять 50%. В то же время расходимостьизлучения довольно велика и может доходить до 450.Полупроводниковые лазеры могут быть очень миниатюрными(типичный размер 0,1х0,1х0,3 мм), а типичная выходнаямощность составляет 50 мВт.Применение лазеров.
Лазеры широко применяются в различных областях науки и техники. Рассмотрим некоторые применения лазеров.В физике используются высокая спектральная мощность лазеров (для генерации излучения на смещенной по сравнению сосновной частоте), высокая степень монохроматичности (для диагностических целей − спектроскопии вещества). Благодаря особенностям лазерного излучения был создан новый раздел химии− фотохимия, которая занимается изучением химических реакций, стимулированных лазерным излучением; наиболее интересными являются реакции по разделению изотопов.
Благодаря высокой интенсивности, достигаемой в фокальном пятне лазерногопучка, лазеры нашли многочисленные применения в технологии,например при сварке, резке, сверлении, поверхностной обработкеи легировании. Все шире используется лазерное излучение длясвязи, при этом оно заменяет излучение радиодиапазона, а в качестве носителей излучения используются оптические волноводы; для обработки и записи информации. Лазеры используются вмедицине (акупунктура, хирургия, диагностика) и биологии (длясоздания необратимых изменений на клеточном уровне).6.
ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ И ФИЗИКИЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦИсторию физики атомного ядра принято отсчитывать с 1896г. В этом году Анри Беккерель сделал важное открытие: занимаясь изучением явления фосфоресценции, он обнаружил, что один70из минералов, содержащих уран, обладает способностью засвечивать фотопластинки, даже если они завернуты в светонепроницаемую бумагу. Было ясно, что минерал испускает какое-то новое излучение, причем испускает самопроизвольно, в отличие,например, от рентгеновского излучения. Новое явление получилоназвание радиоактивности. Через два года Пьер Кюри и МарияСклодовская-Кюри открыли радиоактивность тория и выделилидва новых радиоактивных элемента − полоний и радий.
Детальное экспериментальное изучение радиоактивного излучения было произведено Резерфордом. Он исследовал физические свойства лучей нового типа и показал, что радиоактивное излучение состоит из лучей трех типов, названных в дальнейшем α-, β- и γлучами.То, что явление радиоактивности связано с процессами,происходящими в ядре атома, Резерфордом было понято послетого, как он предложил ядерную модель атома в 1911 г. Но внутренняя структура атомного ядра долгие годы для физиков оставалась непознанной.6.1.
Состав и характеристики атомного ядраВ 1932 г. (после открытия неизвестной ранее частицы −нейтрона) была предложена модель строения атомного ядра, которая предполагала, что ядро состоит из протонов и нейтронов.Протон (р) представляет собой ядро атома водорода. Он обладаетположительным зарядом, равным по величине заряду электронаe=1,602⋅10-19 Кл, и его масса mp=1,672⋅10-27 кг = 1836,15mе, где mе- масса электрона.Нейтрон (n) электрически нейтрален, его масса равнаmn=1,675.10-27 кг = 1838,68mе.
Поскольку масса частицы связана сее полной энергией соотношением Эйнштейна E=mc2, то в ядерной физике массу частиц принято выражать в единицах энергии,причем за единицу энергии принимается мегаэлектронвольт(МэВ). Применяется также единица массы, называемая атомнойединицей массы (а.е.м.), равная 1/12 массы атома углерода, в состав ядра которого входят 6 протонов и 6 нейтронов. В этих еди-71ницах mр=938,2 МэВ = 1,00728 а.е.м. и mn=939,5 МэВ = 1,00867а.е.м. (1 а.е.м.=931 МэВ).Свободный протон − стабильная частица, тогда как нейтронв свободном состоянии распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино (см. далее): n → p + e + ν~ . Среднеевремя жизни свободного нейтрона порядка 15 минут. Внутри ядра протон не свободен и может вести себя тоже как составнаячастица, распадающаяся на нейтрон, позитрон и электронноенейтрино: p → n + e+ + ν.
Внутри ядра возможны оба процесса,и какая из частиц распадается − зависит от энергетических соотношений внутри ядра. Это обстоятельство и дает возможностьрассматривать обе частицы − протон и нейтрон − как элементарные, взаимно превращающиеся друг в друга.Оба вида частиц, составляющих ядро, часто объединяютобщим названием − нуклоны.Число протонов в ядре принято обозначать через Z, это число определяет заряд ядра (+Ze) и называется зарядовым числом.Оно равно порядковому номеру химического элемента в таблицеМенделеева.
Число нейтронов в ядре обозначают через N. Ихсумма A = Z + N называется массовым числом ядра. Такое название это число получило потому, что произведение А на массуотдельного нуклона близко к массе ядра.Ядра атомов принято обозначать символом ZA X , где X − символ химического элемента в таблице Менделеева, например,21Н , 157 N ,23592U.Атомы с одинаковыми Z (т.е. атомы одного химическогоэлемента), но различными N называются изотопами. Большинство химических элементов имеет несколько изотопов. Например,1у водорода три изотопа: 1 H − обычный водород или протий;231 H − тяжелый водород или дейтерий; 1 H − сверхтяжелый водо11121314род или тритий, углерод имеет четыре изотопа − 6C , 6 C , 6 C , 6 C .Многие изотопы в природе не встречаются, но могут быть получены искусственным путем.72Атомы с одинаковым массовым числом называются изобарами, например, 1840A r, 2040Ca.Атомы с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов, называют изотонами, например, 136C , 147 N .В настоящее время известно около 1500 различных ядер.Около четверти этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны.В природе встречаются элементы с Z от 1 до 92, исключая технеций (Tc, Z=43) и прометий (Pm, Z=61).
Плутоний (Pu, Z=94) после получения его искусственным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природных минералах. Остальные трансурановые (следующие за ураном) элементы с Z=93...104 получены только искусственным путем.Размеры атомных ядер можно оценить из опытов Резерфорда, изучая рассеяние на ядрах нейтронов или электронов, а такжеиз ряда других экспериментов. Если ядро считать сферическим,то все методы определения его радиуса R приводят к формулеR = ro A1/3.(6.1)Для постоянной ro для тяжелых ядер различными методами получаются несколько отличающиеся результаты, но все они лежатв пределах ro = (1.2 ÷ 1.5).10-13 см. Из формулы (6.1) видно, чтообъем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре A.6.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
