О фермионах и бозонах.

ЛАЗЕРЫ.

Общие вопросы.

Как сказал академик А.П. Александров, «Всякий мальчишка теперь знает слово “лазер”, но всё, же грамотно ответить на вопрос, что такое лазер и какие практические задачи можно решать с его помощью, знают далеко не все»

Один из основоположников науки о лазерах Н.Г. Басов дал такое определение:

Лазер - устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, световая преобразуется в энергию лазерного луча. При этом часть энергии неизбежно теряется, но полученная лазерная энергия обладает значительно более высокими качествами: высокая концентрация энергии (плотность мощности), возможность передачи на далекие расстояния.

Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметра порядка длины световой волны и получить плотность энергии ядерного взрыва.

С помощью лазерного луча удалось достичь самых высоких температур, давления, напряженности магнитного поля. Лазерный луч - самый емкий носитель информации.

Существует несколько определений понятия лазер.

1. лазер - генератор когерентного света.

Иначе говоря, лазер дает оптическое излучение, с высокой степенью упорядоченности светового поля - высокой степенью когерентности.

2. лазер - оптический квантовый генератор (ОКГ).

3. Слово “ лазер “ составлено из начальных букв английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает “усиление света вынужденным (индуцированным) излучением”

Свет - оптическая часть электромагнитного излучения (ЭМИ), включающая видимую, УФ, ИК области.

Свет обладает двоякими свойствами - свойствами электромагнитной волны (ЭМВ) и свойствами потока частиц - фотонов.

ЭМВ - распространяющаяся со скоростью света (c) - система периодически изменяющихся электрических и магнитных полей, ориентированных перпендикулярно друг другу.

Рисунок 1. Электромагнитная волна

Иначе - в каждой точке пространства, до которой дошла ЭМВ, возникает электрическое и магнитное поля, напряженности электрического (Е) и магнитного (H) которых периодически изменяется во времени.

Колебания совершают векторы Е и H. Для электромагнитной волны они равноправны, но в фотохимических, фотоэлектрических и физиологических действиях света главную роль играет напряженность электрического поля т.е. колебания вектора Е.

Плоскость, в которой происходят колебания Е называется плоскостью поляризации ЭМВ. Свет, в котором колебания вектора электрической напряженности происходят в одной плоскости, называется плоско поляризованным.

На рисунке 2 изображен график изменения напряженности электрического поля для идеальной ЭМВ.

Рисунок 2 Колебание вектора Е во времени в одной точке.

Идеальноя ЭМВ:

· монохроматична,

· идеально поляризована (колебания Е в одной плоскости),

· фронт волны плоский (фронт волны - плоскость перпендикулярная направлению распространения волны).

Таким образом, идеальной называется плоскополяризованная монохроматическая волна с плоским фронтом волны.

Реально свет от любого источника содержит не одну, а множество монохроматических, плоскополяризованных волн с разными частотами (длинами волн), разным направлением распространения и разными плоскостями поляризации.

Когерентное излучение близко к идеальному.

2. Свойства электромагнитного излучения (ЭМИ) с точки зрения фотонной теории.

Фотон - электронейтральная частица ЭМИ. Масса покоя (m₀) фотона равна нулю, иначе говоря, фотон может существовать только при движении. Скорость движения фотона “с” постоянна и равна 2,998×10⁸ м/с. Каждый фотон несет энергию.

Где h - постоянная Планка,

n - частота,

m - масса фотона.

Энергия фотона неделима, т.е. он может отдать ее только полностью и при этом перестает существовать.

Чтобы полностью охарактеризовать фотон надо указать его энергию, направление движения и поляризацию.

Можно состояние фотона охарактеризовать величиной импульса (р)

Импульс - величина векторная. Численная величина импульса равна отношению энергии фотона на скорость света в вакууме:

Кроме того, надо указать поляризацию фотона (g). Она может принимать два значения (колебание вектора напряженности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях).

Если множество фотонов характеризуются одинаковыми значениями р, g - они в одинаковом состоянии, принципиально неразличимы.

В этом случае излучение (свет) близко к идеальному и называют его когерентным.

Можно увязать волновую и фотонную теорию света.

Набор фотонов, находящихся в одинаковом состоянии, представляют собой плоскую, монохроматическую плоско-поляризованную электромагнитную волну. (иначе когерентное излучение)

О фермионах и бозонах.

Все существующие в природе микрочастицы четко подразделяются на две группы по характеру их поведения в среде себе подобных

Фермионы - частицы, проявляющие крайний "индивидуализм" т.е. если какое-то энергетическое состояние уже занято микрочастицей, то никакая другая микрочастица того же типа не может попасть в это состояние.

Яркими представителями фермионов являются электроны в атоме.

Фермионный характер электронов описывается принципом Паули:

"В одном атоме не может быть даже двух электронов, характеризующихся одинаковым набором четырех квантовых чисел".

Хотя бы одним квантовым числом каждый электрон отличается от всех остальных. Иначе, можно сформулировать этот принцип: в одном атоме не может быть даже двух электронов, обладающих одинаковой энергией.

Фермионы получили название в честь итальянского физика Ферми.

Бозоны (названы в честь индийского физика Бозе) - микрочастицы, способные заселять одно и то же состояние в неограниченном количестве, при чем вероятность их попадания в какое то состояние тем больше, чем больше таких же частиц уже находится в данном состоянии.

Фотоны относятся к бозонам. Чем больше фотонов находится в данном состоянии, тем с большей вероятностью будет заселяться это состояние новыми фотонами.

Одно из определений лазера - лазер генератор когерентного излучения. Иначе говоря, лазер - устройство, в котором рождается (генерируется) лазерный луч, представляющий собой когерентный свет.

Уникальная черта лазера - его способность генерировать тончайший монохроматический луч огромной мощности. (Н.Г. Басов)

Дата добавления: 2015-07-11