Основные идеи и гипотезы квантово-полевой картины мира 4 страница

Интегральные схемы являются элементной базой современной компьютерной техники, а, следовательно, и технической базой информационных технологий. В настоящее время технологические методы управления свойствами полупроводниковых кристаллов быстро развиваются; разработаны новые типы микроминиатюрных приборов, в основу которых положены квантовые эффекты; закладываются основы следующего этапа в развитии электроники – этапа наноэлектроники. На этом этапе реализуются возможности управления структурой кристалла на уровне отдельных атомных слоёв и индивидуальных атомов. Это, в свою очередь, открывает принципиально новые пути развития компьютерной техники.

1.12. КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ (ЛАЗЕРЫ)

Одним из практических результатов развития квантовой физики явилось создание квантовых генераторов и их важнейшей разновидности – лазеров.

Лазер представляет собой устройство, преобразующее различные виды энергии (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию монохроматического, когерентного, поляризованного и узконаправленного оптического излучения.

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения возбуждёнными квантовыми системами– атомами газов, жидкостей или кристаллов.

Электрон в возбуждённом атоме может перейти на один из своих разрешённых энергетических уровней с меньшей энергией, отдав при этом избыток энергии в виде излучения. Процесс испускания фотона возбуждённым атомом без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным излучением. Спонтанное излучение – это случайный процесс. Излучение разных атомов происходит в разные моменты, в произвольных направлениях и со случайными фазами колебаний. Это делает излучение большинства источников света немонохроматическим и ненаправленным.

Возможен и иной тип излучения. Если на возбуждённый атом действует такое излучение, которое способен испустить сам этот атом, то в нём стимулируется переход в нижнее состояние. В результате возникает излучение, которое называется индуцированным (вынужденным). Первичный фотон при этом не поглощается. Это означает, что к первичному фотону, падающему на атом от внешнего источника, добавляется фотон индуцированного излучения. Индуцированный фотон является «точной копией» первичного фотона. Они имеют одинаковую частоту и фазу колебаний (то есть, когерентны) и распространяются в одном направлении.

Явление индуцированного излучения позволяет усиливать свет. Представим, что имеется среда, состоящая из атомов, большинство из которых оказалось к определённому моменту в одинаковом возбуждённом состоянии. Такая среда называется средой с инверсной заселённостью уровней. В ней любой фотон спонтанного излучения, взаимодействуя с попадающимися на его пути возбуждёнными атомами, образует нарастающую лавину вторичных фотонов вынужденного излучения. Иными словами, в этом направлении происходит многократное усиление света за счёт энергии, накопленной средой с инверсной заселённостью. Для создания среды с инверсной заселённостью (этот процесс называют накачкой) необходимо достаточно большое время жизни возбуждённых состояний, в течение которого можно успеть завершить процесс возбуждения большой доли атомов среды. Были найдены вещества, содержащие атомы с так называемыми метастабильными возбуждёнными состояниями, в которых они могут находиться аномально долго (порядка 10^-3с) по сравнению с обычным возбуждённым состоянием (10^-7 – 10^-8с). Такие вещества являются основой для создания лазеров, из них изготавливается основная часть лазера – рабочее тело. Подобрано множество вариантов веществ для рабочих тел. Это может быть газ, жидкость или кристалл. Рабочее тело должно быть прозрачным для образующегося излучения.

Первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом диапазоне, был создан в 1960г. американским физиком Теодором Мейманом (1927-2007гг.).

Рассмотрим принцип действия рубинового лазера. Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия , в котором часть атомов алюминия замещена ионами хрома С помощью мощного импульса лампы-вспышки («оптической накачки») ионы хрома переводятся из основного состояния в возбуждённое (рис.6).

Рис. 6. Оптические процессы в рубиновом лазере

Через 10^-8с ионы, передавая часть энергии кристаллической решётке, переходят на метастабильный энергетический уровень < , на котором они начинают накапливаться. Малая вероятность спонтанного перехода с этого уровня в основное состояние приводит к инверсной заселённости. Случайный фотон с энергией может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов (рис.7а). Все они, за исключением направленных вдоль оси рабочего тела, уходят за его пределы, как только достигают его границ. Лавины фотонов, распространяющиеся вдоль оси рабочего тела, наиболее мощные, поскольку они формируются за счёт вынужденного излучения наибольшего числа возбуждённых атомов рабочего тела. Перпендикулярно оси рабочего тела располагают зеркала, которые образуют оптический резонатор. Резонатор выделяет лишь то излучение, которое направлено вдоль оси, и многократно усиливает его за счёт энергии, накопленной в среде с инверсной заселённостью (рис. 7в). Одно из зеркал делают полупрозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета с длиной волны 694,3 нм (рис 7с).

а)	в)
с)

Рис. 7. Оптическое усиление:

а) оптическая накачка; в) оптическое усиление; с) генерация лазерного излучения

К специфическим свойствам лазерного излучения, резко отличающим его от излучений традиционных источников света относятся следующие:

1) Лазерный луч обладает исключительной монохроматичностью, когерентностью и высокой направленностью (пучок света лазера имеет очень малый угол расхождения (около 10^-5рад)).

2) Лазер – наиболее мощный искусственный источник света.

Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники, а также в быту.

В промышленности лазеры используют для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Высокая температура лазерного излучения позволяет сваривать материалы (например, керамику), которые невозможно сварить обычными способами. Лазеры используются также для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости. Широкое применение получила также лазерная маркировка промышленных образцов и гравировка изделий из различных материалов. При лазерной обработке материалов на них не оказывается механическое воздействие, поэтому возникают лишь незначительные деформации. Кроме того, весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован. Поэтому лазерная обработка характеризуется высокой точностью и производительностью. Лазеры применяются также для быстрого и точного обнаружения дефектов в изделиях.

Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка одного микрона, это позволяет использовать его в микроэлектронике.

Лазеры широко применяются в измерительной технике. Лазерные интерферометры (в них источником света служит лазер) используются для сверхточных дистанционных измерений линейных перемещений, коэффициентов преломления среды, давления, температуры. Сверхстабильные лазеры являются основой оптических стандартов частоты, лазерных сейсмографов, гравиметров и других точных физических приборов.

Лазеры применяются также для топографической съёмки, потому что луч лазера задаёт идеальную прямую линию. Направление тоннеля под проливом Ла-Манш задавалось лазерным лучом. С помощью лазерного излучения получаются голографические трёхмерные объёмные изображения.

Очень перспективно применение лазерного излучения для космической связи, а также в светолокаторах, измеряющих большие расстояния с точностью до миллиметров. Лазерная локация космических объектов уточнила значения ряда фундаментальных астрономических постоянных, способствовала уточнению параметров космической навигации, расширила представления об атмосферах и строении поверхности планет, позволила измерить скорость вращения Венеры и Меркурия. Лазерные локаторы позволяют контролировать распределение загрязнений в атмосфере на различных высотах, определять скорость воздушных течений, температуру и состав атмосферы.

Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используются в лазерной химии для запуска и анализа химических реакций. Здесь лазерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода энергии в систему.

Лазеры используются и в военных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания. Рассматриваются варианты создания на основе мощных лазеров боевых систем защиты воздушного, морского и наземного базирования.

В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.). Широкое применение они получили также в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен).

Одним из важных применений лазеров является получение и исследование высокотемпературной плазмы. Эта область их применения связана с развитием нового направления – лазерного управляемого термоядерного синтеза.

Создание лазеров – результат использования фундаментальных физических законов в прикладных исследованиях. Оно привело к гигантскому прогрессу в различных областях техники и технологии.

Контрольные вопросы:

1) Назовите основные идеи КПКМ.

2) Какие величины называются квантованными? Приведите примеры квантованных величин.

3) Расскажите об открытии электрона.

4) Опишите опыт Милликена, доказавшего дискретность электрического заряда.

5) Почему изучение теплового излучения явилось первым шагом к открытию квантовой механики?

6) Что такое ультрафиолетовая катастрофа? В чём заключается гипотеза, выдвинутая Планком для вывода закона распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела?

7) Какое физическое явление называется фотоэффектом? Сформулируйте три закона фотоэффекта.

8) Запишите и объясните уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

9) Чем отличались взгляды Планка и Эйнштейна на проблему квантования?

10) В чём суть эффекта Комптона? В чём заключалось противоречие между результатами опыта Комптона и классической теорией рассеяния волн? Что подтвердил эффект Комптона?

11) Что такое фотон? Чему равны энергия и импульс фотона?

12) В чём суть концепции корпускулярно-волнового дуализма света?

13) В чём заключалось противоречие планетарной модели строения атома с законами классической физики?

14) Сформулируйте квантовые постулаты Бора.

15) В чём заключается принципиальная новизна представлений о свойствах атомов в теории Бора?

16) В чём состоит гипотеза де Бройля?

17) Какие экспериментальные факты свидетельствуют о существовании волновых свойств у микрочастиц вещества?

18) Сформулируйте соотношение неопределённостей для координаты и импульса; для времени и энергии.

19) В чём заключается принципиальное отличие квантовомеханического описания состояния системы от классического описания? Какова физическая интерпретация волновой функции?

20) Запишите основное уравнение нерелятивистской квантовой механики. Какие сведения о квантовомеханической системе можно получить на основании решения уравнения Шрёдингера?

21) Что такое квантовое поле?

22) Что представляет собой физический вакуум?

23) Сформулируйте основные принципы КПКМ: принцип неопределённости, принцип дополнительности, принцип тождественности, принцип соответствия.

24) Как следует понимать принцип причинности в рамках КПКМ?

25) Сформулируйте основные положения КПКМ.

26) Какие физические характеристики квантовомеханической системы (атома) определяются главным квантовым числом, орбитальным квантовым числом и магнитным квантовым числом?

27) Что такое спин микрочастицы?

28) Охарактеризуйте основные группы элементарных частиц.

29) Из каких частиц состоит атомное ядро? Что такое массовое число? Зарядовое число?

30) Чем отличаются ядра атомов разных изотопов данного химического элемента?

31) Что называется естественной радиоактивностью? Каков состав радиоактивного излучения?

32) Запишите и объясните закон радиоактивного распада.

33) Что называется ядерной реакцией? Опишите цепную реакцию деления тяжёлых ядер и реакцию синтеза лёгких ядер.

34) Что такое микроэлектроника? В чём состоит роль микроэлектроники в научно-техническом прогрессе?

35) Что такое наноэлектроника?

36) Что такое лазер? Опишите принцип действия рубинового лазера. Охарактеризуйте основные особенности лазерного излучения.

37) Какова роль КПКМ в развитии современной цивилизации?

2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа №1

Дата добавления: 2015-07-08