Учебник - Оптика - Алешкевич В.А. (1238765), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Òîãäà, ñîãëàñíî (2.43), âîçíèêàþò ãðîìàäíûå ñèëû äàâëåíèÿ, êîòîðûå óðàâíîâåøèâàþò îãðîìíûå ñèëû ãðàâèòàöèè, ïðåäîòâðàùàÿ òåì ñàìûì êîëëàïñ çâåçä. çåìíûõ óñëîâèÿõ òîëüêî ïîñëå èçîáðåòåíèÿ ëàçåðîâ (1961) ñâåòîâîå äàâëåíèå ñòàëè èñïîëüçîâàòü äëÿ ïðàêòè÷åñêèõ öåëåé. Îäíèì èç òàêèõ åãî ïðèìåíåíèé ÿâëÿåòñÿ âîçäåéñòâèå íà ìàëûå ÷àñòèöû ëó÷à ëàçåðà. Åñëè, íàïðèìåð, èçëó÷åíèå ëàçåðà ñôîêóñèðîâàòü íà ÷àñòèöó ðàäèóñîì r0, òî ñîãëàñíî (2.30) ñèëàñâåòîâîãî äàâëåíèÿ áóäåò ðàâíàF = p pr02 =IPpr02 : ,cc(2.44)ãäå P ìîùíîñòü ñâåòîâîãî ïó÷êà.Ïðè èñïîëüçîâàíèè ëàçåðà ìîùíîñòüþ P = 1 Âò ñèëà F = 3 × 10-9 Í.
Åñëèðàäèóñ ÷àñòèöû r0 = 10 ìêì = 10-5 ì, òî åå îáúåì V ~ 4 × 10-15 ì3. Ïðè ïëîòíîñòèr ~ 103 êã/ì3 ìàññà ÷àñòèöû m = rV ~ 4 × 10-12 êã. Î÷åâèäíî, ÷òî ñèëà F ~ 102mg.Òàêàÿ ñèëà ïðèäàñò ÷àñòèöå ãðîìàäíîå óñêîðåíèå a ~ 102g, à áîëåå ìåëêèì÷àñòèöàì ñ r0 ~ 1 ìêì a ~ 105g. Ñëåäîâàòåëüíî, âîçäåéñòâóÿ èçëó÷åíèåì ëàçåðàíà ÷àñòèöû ðàçëè÷íîé ìàññû (âèðóñû, ìàêðîìîëåêóëû è ò. ä.), ìîæíîïðîèçâåñòè èõ ïðîñòðàíñòâåííîå ðàçäåëåíèå.Åñëè ïîäñâåòèòü ÷àñòèöó ëó÷îì ëàçåðà ñíèçó ââåðõ, òî ìîæíî ïðè îïðåäåëåííîé ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ ñêîìïåíñèðîâàòü ñèëó òÿæåñòè è òåì ñàìûì óäåðæàòü ÷àñòèöó â «ïîäâåøåííîì» ñîñòîÿíèè.
Òàêàÿ «íåâåñîìîñòü» íàçûâàåòñÿ îïòè÷åñêîé ëåâèòàöèåé. Îíà ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ ìàíèïóëÿöèé íàä ìèêðî÷àñòèöàìè.Ìîæíî âîîáùå âîçäåéñòâîâàòü íà îòäåëüíûé àòîì.  ýòîì ñëó÷àå ïîíäåðîìîòîðíûå ñèëû äåéñòâóþò íà îñöèëëèðóþùèé ýëåêòðîí â àòîìå (ñì. ðàçä. 2).Ïðè ñîâïàäåíèè ÷àñòîòû ïîëÿ ñ ñîáñòâåííîé ÷àñòîòîé êîëåáàíèé ýëåêòðîíàâ àòîìå âîçíèêàåò ðåçîíàíñ ñêîðîñòè êîëåáàíèé. Ýòî ïðèâîäèò ê ðåçêîìó âîçðàñòàíèþ ïîíäåðîìîòîðíûõ ñèë (ñì. ôîðìóëó (2.25)). Òàêîå ðåçîíàíñíîå âîçäåéñòâèå íà àòîì èñïîëüçóåòñÿ äëÿ èçìåíåíèÿ ñêîðîñòè òåïëîâîãî äâèæåíèÿàòîìîâ ãàçà.25Ëàçåðíîå îõëàæäåíèå.  êîíöå 70-õ ãîäîâ XX â.
â ÑÑÑÐ Â. Ñ. Ëåòîõîâûì,Â. Ã. Ìèíîãèíûì è Á. Ä. Ïàâëèêîì áûëà âûñêàçàíà èäåÿ è ïðåäëîæåí ìåòîäîõëàæäåíèÿ è ïëåíåíèÿ àòîìîâ è ìîëåêóë ðåçîíàíñíûì ñâåòîâûì ïîëåì. Âòàêîì ïîëå íà ÷àñòèöû äåéñòâóþò ñèëû äâóõ òèïîâ: ñèëà ñïîíòàííîãî ñâåòîâîãîäàâëåíèÿ è ñèëà èíäóöèðîâàííîãî ñâåòîâîãî äàâëåíèÿ (î ñïîíòàííîì è âûíóæäåííîì èçëó÷åíèè ðå÷ü ïîéäåò â ëåêöèè 5).Ïåðâàÿ ñèëà îáóñëîâëåíà îòäà÷åé ïðè ìíîãîêðàòíîì ñïîíòàííîì èçëó÷åíèè âîçáóæäåííûì àòîìîì â ñëó÷àéíûõ íàïðàâëåíèÿõ ñâåòîâûõ êâàíòîâ ÷àñòîòû n0 (÷àñòîòû, ñîîòâåòñòâóþùåé ñåðåäèíå ñïåêòðàëüíîé ëèíèè ïðè àòîìíîìïåðåõîäå).  ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíîì ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà, ïðè èçëó÷åíèè ôîòîíà ñ èìïóëüñîì, ðàâíûì hn0/c, àòîì â ïðîòèâîïîëîæíîì íàïðàâëåíèè ïðèîáðåòàåò òàêîé æå èìïóëüñ îòäà÷è.Âîçáóæäåíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðè ïîãëîùåíèè êâàíòîâ ñâåòà ÷àñòîòû n < n0.Ïîñêîëüêó ýíåðãèÿ èçëó÷åííîãî ôîòîíà ïðåâîñõîäèò ýíåðãèþ ïîãëîùåííîãî,÷àñòü ýíåðãèè äîëæíà çàèìñòâîâàòüñÿ èç ïîñòóïàòåëüíîãî äâèæåíèÿ àòîìà. ïðàêòè÷åñêîì ïëàíå áûëî ïðåäëîæåíî íàïðàâèòü àòîìíûé ïó÷îê â ïðîñòðàíñòâî, â êîòîðîì ñîçäàåòñÿ ñòîÿ÷àÿ ñâåòîâàÿ âîëíà ÷àñòîòû n.
Òå èç àòîìîâ, ïðîåêöèÿñêîðîñòè L êîòîðûõ íà íàïðàâëåíèå ñòîÿ÷åé âîëíû óäîâëåòâîðÿåò óñëîâèþ ÄîïëåðàLöæn 0 = n ç1 + ÷ ,(2.45)ècøáóäóò íàèáîëåå ýôôåêòèâíî âîçáóæäàòüñÿ è, ñîîòâåòñòâåííî, çàìåäëÿòüñÿ âäîëüýòîãî íàïðàâëåíèÿ. Åñëè ñîçäàòü ñòîÿ÷èå âîëíû âäîëü òðåõ êîîðäèíàò, òî ìîæíî óìåíüøèòü ïîëíóþ ñêîðîñòü àòîìà.Ñèëà èíäóöèðîâàííîãî ñâåòîâîãî äàâëåíèÿ, äåéñòâóÿ òîëüêî â íàïðàâëåíèèñòîÿ÷åé âîëíû (ôîòîíû ïðè âûíóæäåííîì èçëó÷åíèè äâèæóòñÿ â íàïðàâëåíèèïàäàþùèõ), ìîæåò ïðèâåñòè ê ýôôåêòó ïëåíåíèÿ çàìåäëåííûõ àòîìîâ èõ ëîêàëèçàöèè âáëèçè ïó÷íîñòåé ñòîÿ÷åé âîëíû.Èçìåíÿÿ ïëàâíî ÷àñòîòó n ñòîÿ÷åé âîëíû, ìîæíî ïîñëåäîâàòåëüíî çàìåäëÿòü ÷àñòèöû, èìåþùèå ðàçëè÷íûå ñêîðîñòè.
Àíàëèç ïîêàçûâàåò, ÷òî ïðè ñêàíèðîâàíèè ÷àñòîòû ñòîÿ÷åé âîëíû îò íà÷àëüíîé âåëè÷èíû n0 - DnD/2 äî êîíå÷íîé âåëè÷èíû n0 - Dn/2 (DnD è Dn äîïëåðîâñêàÿ è åñòåñòâåííàÿ øèðèíûëèíèè, ïðè ýòîì DnD > Dn (ñì. ëåêöèþ 4)), íîðìàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå äëÿêîìïîíåíòû ñêîðîñòè ñ òå÷åíèåì âðåìåíè áóäåò ñóæàòüñÿ. Äàëüíåéøåå ïðèáëèæåíèå ÷àñòîòû n âîëíû ê ÷àñòîòå n0 íå èìååò ñìûñëà, òàê êàê ýôôåêòèâíîñòüòîðìîæåíèÿ çíà÷èòåëüíî óìåíüøàåòñÿ.Ê îêîí÷àíèþ ñêàíèðîâàíèÿ ñðåäíåå çíà÷åíèå êâàäðàòà êîìïîíåíòû ñêîðîñòè áóäåò óìåíüøåíî äî âåëè÷èíûhDn(2.46).2MÇäåñü M ìàññà àòîìà, h = h/2p. Èñïîëüçóÿ ñîîòíîøåíèå M áL 2 ñ/2 = kT/2 , äëÿêîíå÷íîé òåìïåðàòóðû T ïîëó÷àåì âûðàæåíèåhDnT =,(2.47)2káL 2 ñ =ãäå k ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà.
Åñëè ïðèíÿòü Dn/2 = 108 Ãö, òî òåìïåðàòóðà ïðèëàçåðíîì îõëàæäåíèè äîñòèãàåò âåëè÷èíû T » 0,7 × 10-3 K. Âðåìÿ îõëàæäåíèÿñîñòàâëÿåò äîëè ìèëëèñåêóíäû.26Ðèñ. 2.5Ðàññìîòðåííûé ìåõàíèçì îõëàæäåíèÿ íàçûâàåòñÿ äîïëåðîâñêèì îõëàæäåíèåì. Ñîîòâåòñòâåííî âûðàæåíèå (2.47) îïðåäåëÿåò òàê íàçûâàåìûé äîïëåðîâñêèé ïðåäåë.Íà ðèñ. 2.5 ïîêàçàíà äèíàìèêà äîñòèæåíèé ïî ëàçåðíîìó îõëàæäåíèþ, îñóùåñòâëåííîìó â âåäóùèõ ëàáîðàòîðèÿõ ìèðà.Ïåðâûå ýêñïåðèìåíòû ïî äîïëåðîâñêîìó îõëàæäåíèþ äî òåìïåðàòóðû T == 1,5 K áûëè ïðîâåäåíû â ÑÑÑÐ â íà÷àëå 80-õ ãîäîâ XX â.
Îõëàæäåíèå îñóùåñòâëÿëîñü â îäíîìåðíîé ñòîÿ÷åé âîëíå. ïîñëåäóþùèõ ýêñïåðèìåíòàõ (â ÑÑÑÐ è çà ðóáåæîì) èñïîëüçîâàëèñü äâóõìåðíûå è òðåõìåðíûå ñòîÿ÷èå âîëíû, ÷òî ïîçâîëèëî çà íåñêîëüêî ëåò äîñòè÷üäîïëåðîâñêîãî ïðåäåëà.Íà ðèñ. 2.2 öâ. âêë. ïîêàçàíà ñõåìà óñòàíîâêè, â êîòîðîé îñóùåñòâëåíî ìàãíèòîîïòè÷åñêîå ïëåíåíèå àòîìîâ. Îáëàêî àòîìîâ (æåëòîå ïÿòíî â öåíòðå) óäåðæèâàåòñÿ â îáëàñòè ïåðåñå÷åíèÿ òðåõ ñòîÿ÷èõ âîëí, îáðàçóåìûõ øåñòüþ ëàçåðíûìè ïó÷êàìè. Äëÿ áîëåå ýôôåêòèâíîãî óäåðæàíèÿ îáëàêà â ýòîé îáëàñòè êàòóøêàìè ñ òîêîì ñîçäàåòñÿ òàêæå íåîäíîðîäíîå ìàãíèòíîå ïîëå. êîíöå 80-õ è â ïåðâîé ïîëîâèíå 90-õ ãîäîâ, ïðèìåíÿÿ äðóãèå ïîäõîäû,óäàëîñü ïðåâçîéòè äîïëåðîâñêèé ïðåäåë è ïîñòåïåííî äîâåñòè òåìïåðàòóðóàòîìîâ äî T = 2 × 10-8 K!Ëàçåðíûé òåðìîÿäåðíûé ñèíòåç.
 ðåàêöèÿõ ñèíòåçà ÿäåð ëåãêèõ ýëåìåíòîâ,ðàñïîëîæåííûõ â òàáëèöå Ìåíäåëååâà äî íàèáîëåå ïëîòíî óïàêîâàííûõ ÿäåð(æåëåçî, íèêåëü è äð.), ýíåðãèÿ ïîêîÿ ïåðåõîäèò â êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþïðîäóêòîâ ðåàêöèè. Ïðèìåðîì ÿâëÿåòñÿ ïðîòîí-ïðîòîííûé öèêë íà Ñîëíöå,â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî âûñâîáîæäàåòñÿ ãðîìàäíàÿ ýíåðãèÿ. çåìíûõ óñëîâèÿõ ëåã÷å âñåãî îñóùåñòâèòü ñëèÿíèå èçîòîïîâ âîäîðîäà äåéòåðèÿ Ä è òðèòèÿ Ò.
Äåéòåðèé ñîäåðæèòñÿ â âîäå â ñîîòíîøåíèè 1/6 500,à òðèòèé, èìåþùèé ïåðèîä ïîëóðàñïàäà 12,4 ãîäà, ìîæíî ïîëó÷èòü â ÿäåðíûõðåàêöèÿõ.  ðåçóëüòàòå ðåàêöèèÄ + Ò = 4He + n + Qâûñâîáîæäàåòñÿ ýíåðãèÿ Q = 17,6 ýÂ. Äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ òàêîé ðåàêöèè íåîáõîäèìî ñáëèçèòü ÿäðà, ïðåîäîëåâàÿ êóëîíîâñêèå ñèëû îòòàëêèâàíèÿ ìåæäóïðîòîíàìè. Ýòîãî ìîæíî äîáèòüñÿ, íàãðåâ âåùåñòâî äî âûñîêîé òåìïåðàòóðû27Ò ~ 108 Ê. Äëÿ òîãî ÷òîáû âûäåëèâøàÿñÿ ýíåðãèÿ ñðàâíÿëàñü ñ ýíåðãåòè÷åñêèìè çàòðàòàìè íà íàãðåâ ïëàçìû, íåîáõîäèìî âûïîëíåíèå êðèòåðèÿ Ëîóñîíà:nt ³ 1014 ñ/ñì3,ãäå n êîëè÷åñòâî ÷àñòèö â 1 ñì3; t âðåìÿ ýôôåêòèâíîãî ïðîòåêàíèÿ ðåàêöèè ñèíòåçà. íàñòîÿùåå âðåìÿ ñóùåñòâóþò äâà ïîäõîäà ê îñóùåÐèñ. 2.6ñòâëåíèþ óïðàâëÿåìîãî òåðìîÿäåðíîãî ñèíòåçà. Ïðè ïåðâîì ïîäõîäå ìàãíèòíûì ïîëåì ñïåöèàëüíîé êîíôèãóðàöèè â òå÷åíèå âðåìåíè t » 1 10 ñ óäåðæèâàåòñÿ âûñîêîòåìïåðàòóðíàÿ ïëàçìàñ êîíöåíòðàöèåé n » 1014 1015 cì-3.
 óñòàíîâêàõ «Òîêàìàê» (ÑÑÑÐ) âîäîðîäíàÿ ïëàçìà èçîëèðóåòñÿ îò ñòåíîê óñòàíîâêè ìàãíèòíûì ïîëåì è íàãðåâàåòñÿýëåêòðè÷åñêèì òîêîì äî î÷åíü âûñîêèõ òåìïåðàòóð, ïðè êîòîðûõ âîçìîæíûðåàêöèè ñèíòåçà.Ïðè âòîðîì ïîäõîäå, ïðåäëîæåííîì òàêæå â ÑÑÑÐ Í.Ã.Áàñîâûì è Î. Í.Êðîõèíûì â íà÷àëå 60-õ ãîäîâ XX â., ìèêðîñôåðà (ìèøåíü) ñ ÿäåðíûì òîïëèâîìîáëó÷àåòñÿ ìíîãîêàíàëüíûì ëàçåðîì.
Åãî èçëó÷åíèå ïî íåñêîëüêèì êàíàëàì(íàïðàâëåíèÿì) ñ ðàçíûõ ñòîðîí ïàäàåò íà ìèøåíü (ðèñ. 2.6). Òàêîé ìåòîä ïîëó÷èë íàçâàíèå ëàçåðíûé òåðìîÿäåðíûé ñèíòåç (ËÒÑ).Îöåíêè ïîêàçûâàþò, ÷òî äëÿ ñæàòèÿ âåùåñòâà äî ïëîòíîñòåé r » 102 103 ã/ì3è íàãðåâàíèÿ äî òåìïåðàòóð T » 108 K íåîáõîäèìî ñîçäàòü äàâëåíèå p » 5 × 109 àòì.Äëÿ ýòîãî èíòåíñèâíîñòü ñâåòà, ïàäàþùåãî íà ïîâåðõíîñòü ìèøåíè (ïëîòíîñòüìîùíîñòè), äîëæíà áûòü ðàâíà I » 1015 Âò/cì2. Ïîýòîìó äëÿ îñóùåñòâëåíèÿËÒÑ íåîáõîäèìî èñïîëüçîâàòü ìîùíûå ëàçåðíûå ñèñòåìû.Âíåøíèé âèä óñòàíîâêè «Øèâà» â Ëèâåðìîðñêîé ëàáîðàòîðèè (ÑØÀ)ïîêàçàí íà ðèñ. 2.3 öâ.
âêë. Èìïóëüñ çàäàþùåãî ëàçåðà íà íåîäèìîâîì ñòåêëå(l = 1,064 ìêì) ñ ýíåðãèåé 10 Äæ ïîñëå óòðîåíèÿ ÷àñòîòû ïî ñâåòîâîäàì ïîñòóïàåò â 20 óñèëèòåëåé ñâåòà. Íà âûõîäå êàæäîãî óñèëèòåëÿ ýíåðãèÿ èìïóëüñàâîçðàñòàåò äî 20 êÄæ. Ñâåòîâûå ïó÷êè, èìåþùèå ïîñëå óñèëèòåëÿ äèàìåòð40 ñì, ñ ðàçíûõ ñòîðîí ôîêóñèðóþòñÿ íà ìèøåíü.Ïðè âçàèìîäåéñòâèè èçëó÷åíèÿ ñ ìèøåíüþ ðàäèóñîì íåñêîëüêî ìèëëèìåòðîâ åå âíåøíÿÿ ÷àñòü ïðåâðàùàåòñÿ â ðàçëåòàþùóþñÿ â ðàçíûå ñòîðîíû ñîñêîðîñòüþ L ~ 107 108 ñì/ñ ïëàçìåííóþ êîðîíó. Âíóòðåííèå (íåèñïàðåííûå) ÷àñòè ìèøåíè, êóäà èçëó÷åíèåíå ïðîíèêàåò, ïðèîáðåòàþò ãèäðîäèíàìè÷åñêèå ñêîðîñòè, íàïðàâëåííûå ê öåíòðó ìèøåíè. Ïîñëåäíèå âîçíèêàþò ãëàâíûì îáðàçîì èç-çà ñâåòîðåàêòèâíîãî äàâëåíèÿ,îáóñëîâëåííîãî èìïóëüñîì îòäà÷è ïðè âûëåòå ÷àñòèöñ ïîâåðõíîñòè âíóòðåííåé ïëîòíîé ÷àñòè ìèøåíè.
 ðåçóëüòàòå ÷àñòü âåùåñòâà ìèøåíè ñæèìàåòñÿ è íàãðåâàåòñÿ.Íà ðèñ. 2.7 ïîêàçàíî ðàäèàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíîñòè r è òåìïåðàòóðû T íà ñòàäèè ñæàòèÿ. Ôàêòè÷åñêèê öåíòðó ìèøåíè ñî ñêîðîñòüþ u äâèæåòñÿ óäàðíàÿ âîëíà.Ïðè ïðÿìîì ïàäåíèè ñâåòà íà ïîâåðõíîñòü ìèøåíèâåñüìà ñëîæíî îáåñïå÷èòü ñôåðè÷åñêóþ ñèììåòðèþ ïðîöåññà ñæàòèÿ. Îòêëîíåíèÿ äâèæåíèÿ âíóòðåííèõ ÷àñòåéÐèñ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
