belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 95
Текст из файла (страница 95)
Наличие гелия розко меняет ситуацию. Для работы лазера существенны два уровня с энергиями Ет' = 19.82 и Ез' = 20,61 эВ соответственно. Спонтанный радиационный переход с этих уровней на основной происходит с малой вероятностью в силу квантовых их характеристик (правил отбора по моменту и четности). Поэтому время жизни ато- ~о ем ма на уровнях 2' и 3' гелия очень велико. Рис. 6.8 Однако этих правил запрота нет для электронов, и в результате электронных ударов на этих метастабильных уровнях накапливается очень много атомов гелия. Принципиальным моментом является то, что эти уровни гелия почти совпадают с уровнями 2 и 3 неона.
Благодаря этому при столкновениях возбужденных атомов гелия с невозбужденными атомами неона интенсивно происходят безызлучательные переходы атомов гелия в основное состояние с резонансной передачей энергии атомам неона. Этот процесс возбуждения атомов неона на рис. 6.8 изображен пунктирными стрелками. В результате такого резонансного возбуждения концентрации атомов неона на уровнях 2 и 3 сильно возрастают, и возникает инверсная заселенность уровней по отношению к уровням 1 и 4, что и приводит к лазерному эффекту. Опустошение уровня 1 происходит за счет переходов на уровень 5, снятие возбуждения с которого обусловлено столкновениями атомов неона со степками трубки.
Поэтому эффективность гелий-неоновых лазеров оказывается максимальной при вполне определен ном диаметре стеклянной трубки. 350 ГЛ. 6. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В зависимости от длины оптического резонатора и устройства его зеркал удается выделить тот или иной лазерный переход. Как правило, в гелий-неоновом лазере реализуется красное излучение, соответствующее переходу 3 1 с длиной волны 632,8 нм.
Газовые лазеры обладают очень высокой монохроматичностью, но, как правило, если не делать специальных ограничений пучка, структура выходящего из него пучка в поперечном направлении достаточно сложна, как зто видно из приведенной на рис. 6.9 фотографии интерференционной картины, возникающей в пучке газового лазера. Выходящий луч имеет в диаметре около 0,5 см; фотография показывает, где световые волны усиливаются, а где —. взаимно погапгаются.
Задачи 1. При измерении янтенсивности реликтового излучения Пензиас и Вильсон использовали обычный радиотелескоп на длине полны Л = 3 см, антенный тракт находился при температуре Т = 300 К. Этот тракт поглощач 1 % поступающей мощности и естественно создавю| тепловой шум, мешающий наблюдениям, Какая эффективная температура тракта в области измерений? Решение. Оценим вначале температуру, соответствующую излучению с длиной волны 3 см: в в Так как эта температура много моньше 300 К, то измеряемая частота лежит н классической области спектра и согласно закону Релея-Джинса йвт э р(ы)=, ~ жт Если бы антенный тракт был абсолютно черным толом, то он бы поглощал нее излучение, на самом деле он «серый» и коэффи|щент серости в области длин волн 3 см равен 0,01.
Как следует из закона Кирхгофа, это значит, что и излучать он будет 0,01 часть от интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 300 К. Итак, так как мощность излучения пропорциональна Т, то т„, =от, где а = 0,01, то есть т„,=оо1 зоо=зк. Это и есть шумовая температура антенного тракта.
2. Вследствие повышения температуры максимум спектралыюй энергетической свети- мости абсолютно черного тела уменьшился с 2 мкм до 1 мкм. Во сколько раз изменилась интегральная энергетическая светимость? Ответ: в 16 раз. 3. Определить, за какое время медный шар, помещенный в вакуум, охладится с 500 до 300 К. Радиус |пара 1 см, поглощательная способность поверхности шара 0,8, удельная теплоемкость меди 390 ДжДкг град). Влиянием окружающих тел пренебречь.
Ответ: за 41 мин. ЗАДА'-1И 351 4. При работе 25-ваттной лампы накаливания на переменном токе промышленной частоты (50 Гц) наибольшая и наименьшая температуры нити отличаются на 70 К. Принимая среднюю температуру нити равной 2450 К, определить относительное изменение лучистого потока за полупериод («мигание» лампы). Ответ: 0,11. 5.
Определить температуру абсолютно черного тела, спектральная яркость излучения которого равна яркости лазерного излучения светового диапазона с энергией в импульсе Е = 1 Дж. Считать, что расходимость лазерного пучка определяется дифракцней на выходной апертуре, а немонохроматичноеть излучения --- длительностью импульса. Решение. Эквивалентная температура черного те га будет заведомо столь высокой, что энергия фотонов видимого света бгв (( 1г Т, поэтому мы можем пользоваться для оценки температуры классической формулой Релея — Джинса.
В таком приближении плотность излучения абсолютно черного тела равна (см. (6.23)) шз 47гзс 1гет 4Л Т кзсз ' Лз г сз сЛз а поток (см. (6.33)) ср ЕТ Б Спектральная яркость лазерного излучения, как и любого источника, по определению есть плотность потока излучЕния д, Единицы поверхноСти в Единичном интврвало частот и в единицу телесного угла 4 глиглй и она связана с энергией излучения соотношением Е=д кР~4, где Р— .
диаметр выходной апертуры. Согласно условию задачи Ьи —, 1Л11=к( — ) Таким образом, яркость лазерного излучения равна от 4Е к(Л)Р)з кзЛз Приравнивая яркости лазерного излучения и излучения абсолютно черного тела, окончательно имеем Т= 4 10 К. тзк ГЛАВА 7 КРИСТАЛЛИт1ЕСКИЕ СТРУКТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Весь окружающий нас мир построен всего лишь из трех частиц: электронов, протонов и нейтронов, и можно липп поражаться тому многообразию веществ, которые из них возникают.
В зависимости от состава, температуры, давления вещество может быть в газообразном, жидком или твердом состоянии. Рядом со сверхтвердым алмазом и жароцрочным асбестом соседствуют мягкий воск и легко воспламеняющаяся бумага. Наряду с прекрасно проводящими электрический ток медью и алюминием - - изоляторы, такие как фарфор и слюда. Задача физики — понять первопричину всего этого многообразия окружающего нас мира, объяснить наблюдаемые феноменологические закономерности и уметь предсказывать свойства новых веществ и соединений. Предыдущие разделы главным образом были посвящены рассмотрению свойств веществ в газообразном и жидком состояниях. Сейчас мы приступаем к изучению свойств твердых тел.
Мы будем рассматривать в дальнейшем свойства только кристаллических тел, то есть свойства тел, образующих в твердом состоянии упорядоченную структуру. Реально переход тела из жидкой (или газообразной) фазы в твердое состояние не обязательно сопровождается кристаллизацией тела., а может приводить к аморфизации тела, в том числе и к образованию стекло- образного состояния, которое получается из вязкого расплава при быстром его охлаждении, т. е. твердением без кристаллизации. 7.1.
Симметрия кристаллов При первом знакомстве с кристаллами прежде всего бросается в глаза их правильная многогранная форма. Этот образ кристалла в виде правильного многогранника возник у нас от драгоценных камней, природных минералов и искусственных кристаллов. Прозрачный кварц и красный рубин, мягкий тальк и сверхтвердый алмаз, микроскопические крупинки сахарного песка и гигантские сталактиты -".
вот лишь некоторые представители удивительно многообразного царства кристаллов. На рис. 7.1 приведена фотография друзы горного хрусталя. Такие кристаллы часто называют монокристалла ми, чтобы отличить их от поликристаллов конгломерата микроскопических кристалликов, которыми является болыпинство минералов и металлов. Как правило, нас будут интересовать физические свойства монокристаллов, так как свойства поли- кристаллов опрецоляются не только свойствами самих микроскопических кристалликов, а во многом их взаимным расположением и способом соединения.
7.Ь СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ Зз3 Многие выращивали в школьные годы из водных растворов квасцов большие октаэдры кристаллов, поражающие своей геометрической правильностью. Монокристалл может иметь и кубическую форму, как кристалл поваренной соли, форму ромбической призмы, как кристалл сегнетовой соли, октаэдра или плоского треугольника, как кристалл титаната бария. Его форма может быть и более сложной комбинацией простых геометрических фигур, но это его естественная форма. Таким его сотворила природа. Естественно возникает вопрос, почему форма кристаллов так геометрически совершенна7 Ответ был дан уже в конце ХЧ1 в. И. Кеплером и Р.
Гуком. Правильную форму кристаллов поваренной соли и квасцов они объясняли том, что эти кристаллы состоят из плотно упакованных частичек сферической формы. Идея решетчатого строения кристаллов буквально «носилась в воздухе», однако высказана она была впервые в конце ХЧП в. французским кристаллографом Р. Аюи. Вот какая легенда дошла до пас о счастливом случае, натолкнувн~ем Аюи на мысль о впутренном решетчатом строении кристаллов.
Рис. 7.1 Однажды, находясь в гостях у знакомого любителя и собирателя минералов, Аюи взял в руки и рассматривал друзу призматических кристаллов кальцита. По оплошности Аюи друза упала на пол и разбилась, причем кристаллы раскололись на несколько кусков правильной ромбоэдрической формы. Дома Аюи расколол все кристаллы кальцита из собственной коллекции. Несмотря на то, что эти кристаллы обладали самой разнообразной формой и в ряде случаев вовсе це имели в своем облике граней ромбоэдра, у осколков наблюдались только эти грани.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
