physics_saveliev_3 (535941), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Он является совершенно новым типом источника света, н пока еше трудно представить себе все возможные области его применения '). Нелинеиная оптина. Напряженность электрического поля Е в световой волне, полученной с помощью обычных (нелазерных) источников света, пренебрежимо мала по сравнению с напряженностью внутреннего микроскопического поля, действующего на электроны в ве.
ществе. По этой причине оптические свойства среды (в частности, показатель преломления) и характер подавляющего большинства оптических явлений не завн. сят от интенсивности света. В таком случае распространение световых волн описывается линейными дифференциальными уравнениями. Поэтому долазерную оптику можно назвать линейной.
Отметим, что принцип супер- позиции световых волн (выражаемый в геометрической оптике законом независимости световых лучей) справедлив только в области линейной оптики. Правда, и до создания лазеров были известны нелинейные явления в оптике. К нх числу относится, например, комбинационное рассеяние света (см. э 83). При комбинационном рассеянии наблюдается преобразование частоты моно- хроматической световой волны, что является признаком нелинейности процесса. Однако в подавляющем большинстве случаев оптические процессы были линейными.
После создания квантовых генераторов света положение в оптике существенно изменилось. Лазеры позволяют получить световые волны с напряженностью поля почти такой же величины, как н напряженность микроскопического поля в атомах. При таких полях показатель преломления зависит от напряженности Е. В этом случае нарушается принцип суперпозиции, различные волны, распространяющиеся в среде, оказывают влияние друг на друга и возникает ряд нелинейных оптических явлений. Опишем вкратце некоторые из них. Нелинейное отражение света. При больших интенсивностях в отраженном свете появляется излучение на второй гармонике падающего излучения, т. е.
кроме отраженного луча, имеющего частоту са, равную частоте ') ОЗ одном из удивительных применений лазерного нзлуяения — ~олографии — рассказано в Приложении. 431 падающего света, наблюдается отраженный луч частоты 2ы. Направление отраженного луча частоты 2ы не совпадает с направлением отраженного луча частоты ы. Самофокусировка света. При обычных интенсивностях первоначально параллельный ограниченный пучок света претерпевает при своем распространении в вакууме или в какой-либо среде так называемое дифракционное расплывание, в результате чего возникает дифракционная расходимость пучка. Оказывается, что при распространении световых пучков в жидкостях и некоторых кристаллах с увеличением мощности пучка расходимость его уменьшается.
При некоторой мощности, называемой критической, пучок распространяется, не испытывая расходимости. Наконец, при мощности, большей критической, пучок сжимается — происходит самофокусирование пучка в среде. Это явление обусловлено тем, что с ростом напряженнс/сти Е увеличивается показатель преломления, среда в области, занимаемой пучком, становится оптически более плотной, что приводит к изгибанию лучей к оси пучка, т. е.
к сжатию пучка. Оптические гармоники. При рассеянии мощного лазерного пучка в жидкостях и кристаллах, кроме света с частотой ы, равной частоте падающего излучения, наблюдается также рассеянный свет с частотами 2ы, Зы и т. д. 'Эти спектральные компоненты рассеянного света называются оптическими гармониками. Интенсивность оптических гармоник может быть весьма значительной; в некоторых кристаллах в излучение гармоник может переходить до 50а/а мощности рассеянного излучения. Миогофотонные процессы.
При обычных интенсивностях света поглощение фотона частоты ы происходит только в том случае, если его энергия лы совпадает с разностью энергетических уровней Е, — Е, атома или молекулы. В этом случае в элементарном акте взаимодействия света с веществом поглощается один фотон. При больших интенсивностях излучения в элементарном акте взаимодействия могут поглощаться два или более фотона. В этом случае может происходить поглощение света не только частоты е = (Ех — Е~)/Ь, но также и частот ы/2, в/3 н т.
д. Такое поглощение называется многофотонным (в частности, двухфотонным, трехфотонным и т. д.). Многофотонное поглощение может происходить и в световом поле двух монохроматических источников. Если 432 сумма частот этих источников удовлетворяет условию: кч + мз = (Ез — Е1)!В, наблюдается заметное поглощение излучения обеих частот. Для этого необязательно, чтобы оба излучения были большой мощности. Достаточно, чтобы была велика их суммарная интенсивность. Поэтому можно наблюдать многофотонное поглощение при наложении света от лазера и нелазерного источника со сплошным спектром.
Наблюдается также многофотонный фотоэффект (многофотонная ионизация атомов). В то время как обычный (однофотонпый) фотоэффект наблюдается при частотах, при которых энергия фотона больше энергии ионизации атома, многофотонный фотоэффект может происходить при частотах в и раз меньших (и — число фотонов, участвующих в элементарном акте взаимодействия). Удалось надежно зарегистрировать семифотонную ионизацию инертных газов. Приведенный нами далеко не полный перечень уже обнаруженных нелинейных явлений достаточен для того, чтобы составить представление о том, как бурно развивается новая область оптики — нелинейная оптика.
ЧАСТЬ Ш ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ ГЛАВА Х1У АТОМНОЕ ЯДРО $87. Состав и характеристика атомного ядра Ядра атомов состоят из двух видов элементарных частиц — протонов и нейтронов. Эти частицы носят название н уклон о в. Протон. Протон (р) есть не что иное, как ядро атома водорода. Он обладает зарядом +г и массой вг р - — 938,2 Мэв '). Для сравнения укажем, что масса электрона, выраженная в единицах энергии, составляет тг = 0,511 Мэв. (87.2) Из сопоставления (87.1) и (87.2) следует, что птр = 1836 тле. Протон имеет спин, равный половине (э = '/т), и собственный магнитный момент рр= + 2,79рм где рг = — = 5,05 1О эрг/гаусс ей 2трг (87.3) ') В ядерной фиэике принято выражать массы в единицах энергии, умножая их для этой цели на сд Применяется также единица массы, называемая атомной единицей массы (а.е.м.); 1 а.е,м, 1,66 ° !О '" г = 931 Мае, — единица магнитного момента, называемая яд е р н ы м м а г н е т о н о и. Из сравнения с (71.3) вытекает, что рг в 1835 раз меньше магнетона Бора рв.
Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона. Нейтрон. Нейтроном (л) называется не обладающая электрическим зарядом частица ') с массой (87г4) т„=939,5 Мэв, очень близкой к массе протона. Разность масс нейтрона и протона т„— т„составляет 1,3 Мэв, т. е. 2,5 т,, Нейтрон обладает спином, равным половине (э='/а), и (несмотря на отсутствие электрического заряда) собственным магнитным моментом рл = — 1,9!ро (знак минус указывает на то, что направления собственных механического и магнитного моментов противоположны) . В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радио- активен) — он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (е-) и еще одну частицу, называемую антннейтрино (9) (см.
9 101). Период полураспада равен -12 мин. Схему распада можно записать следующим образом: (87.5) и- р+е +й. Масса покоя антннейтрино равна нулю. Масса нейтрона, как мы видели, больше массы протона на 2,5 т„ Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения (87.5), на 1,5 т„т. е.
на 0,77 Мэв. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц. Характеристика атомного ядра. Количество протонов 7, входящих в состав ядра, определяет его заряд, который равен +7е..Число 7 называется а т о м н ы м н ои е р о и (оно определяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева) или з арядов ы м числом ядра. Число нуклонов А (т. е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно Л1 = А — 2. ') Нсйтрон открыт н 1932 г.
английским физиком Д. Челннком. азв Лля обозначения ядер применяется символ где под Х подразумевается химический символ данного элемента. Справа вверху ставится массовое число, слева внизу — атомный номер (последний значок часто опускают). Большинство химических элементов имеет по нескольку разновидностей — и з о то и о в, отличающихся значениями массового числа А. Так, например, водород имеет трн изотопа: ,Н' — обычный водород, или протий (2=1, й1=0), ,Нт — тяжелый водород, или дейтерий (2=1, й(=1), ,На-тритий (7=1, тУ=2)').
У кислорода имеется три стабильных изотопа: аО'в,вО", вО'а у олова — десять, и т. д. Изотопы представляют собой ядра с одинаковым числом протонов Я. Ядра с одинаковым массовым числом А называются н з о б а р а м и. В качестве примера можно привести 1аАгм и, мСа'в. Ядра с одинаковым числом нейтронов 1т' = А — вносят название из ото нов (вС'а,т)ч)м). Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковыми 2 и А, отличающиеся периодом полураспада.
Они называются в во м е р а м и. Например, имеется два изомера ядра ввВгв', у одного из них период полураспада равен 18 мин, у другого — 4,4 часа. Радиус ядра довольно точно определяется формулой: г=1,3 10 'аА' см !,ЗАа ферми (87.6) (ферми — название применяемой в ядерной физике единицы длины, равной !О" см). Из соотношения (87.6) следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. В настоящее время известно около 1500 ядер, различающихся Е, либо А, либо и тем и' другим. Около вгв этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций. '1 Дейтерий обозиачачот также символом 0, а тритий — симао. лом Т.
В природе встречаются элементы с Е от 1 до 92, исключая технеций (Тс, Е = 43) и прометий (Рш, 2 = 61). ПлутониИ (Рп, Я = 94) после получения его искусственным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале — смоляной обманке. Остальные трансурановые (т. е.
заурановые) элементы (с Е от 93 до 104) были получены только искусственным путем посредством различных ядерных реакций. Трансурановые элементы кюрий (96 Сгп), эйиштейний (99 Ез), фермнй (100 Гш) н менделевий (101 Мд) получили названия в честь выдающихся ученых П, и 0 40 ВП /Л~ Ю 200 Л Рис. 248. М. Кюри, А. Эйнштейна, Э. Ферми и Д. И, Менделеева. Лоуренсий (103 1ч) назван в честь изобретателя циклотроиа.Э. Лоуренса. Элемент 104 был получен в 1964 г, в СССР в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне Г. Н. Флеровым и его сотрудниками путем бомбардировки плутониевой мишени (Е = 94) пучком ионов ~4Ыем (2 = 10), ускоренных до энергии 116 Мэв.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
