s5_atomfiz_exam_nah_book

Глава 13. Інтенсивність та ширина спектральних ліній

де w(x1x2t1t2) - густина ймовірності станів з координатами x1, x2, t1, t2. Часовою когерентністю прийнято називати час, за який R( ) = 0,5.

лазерне випромінювання може мати великі потужності до 1012 Вт.

Ці риси лазерного випромінювання забезпечили йому широке практичне застосування.

ПРОХОРОВ ОЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ (1916-2002)

Російський фізик і радіофізик.

Відзначений у 1964 Нобелівською премією з фізики (разом із Н.Г.Басовим та Ч.Таунсом) «за фундаментальні роботи в галузі квантової електроніки, які привели до створення генераторів і підсилювачів на основі принципу лазера-мазера». У 1939 О.М.Прохоров закінчив фізичний факультет Ленінградського державного університету і поступив в аспірантуру Фізичного інституту ім. П.Н.Лебедєва (ФІАН). Тут він займався розробкою методу дослідження іоносфери, заснованого на інтерференції радіохвиль.

У 1941 був призваний в армію. У 1944, після двох поранень, повернувся у ФІАН, де в 1946 захистив кандидатську дисертацію по теорії нелінійних коливань. У 1947 приступив до досліджень синхротронного випромінювання й у 1951 захистив по цій темі докторську дисертацію.

У1950 Прохоров почав займатися радіоспектроскопією, досліджував коливальні й обертальні спектри молекул. У 1952-1953 спільно зі своїм аспірантом Н.Г.Басовим сформулював основні положення теорії молекулярного генератора – мазера (абревіа-

тура від англ. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – підсилен-

ня мікрохвиль стимульованим випромінюванням), у 1954 створив перший молекулярний генератор на аміаку, а в 1955 запропонував новий ефективний «трьохрівневий» метод одержання інверсної заселеності. Перша публікація Басова і Прохорова, присвячена створенню мазерів, відноситься до 1954, а за 10 місяців до неї результати своїх успішних експериментів у цій області опублікував американський фізик Ч.Таунс.

У1954 Прохоров став завідувачем Лабораторією коливань ФІАНа. У 1957 разом зі співробітниками розробив принцип створення парамагнітних мазерів, у 1958 запропонував для створення субміліметрових лазерів використовувати відкритий резонатор із двома дзеркалами - такий тип резонатора виявився особливо ефективним при розробці лазерів оптичного діапазону. У 1963 розробив новий принцип дії генераторів з використанням двохквантових переходів, створив цілий ряд генераторів неперервної дії. У 1966 запропонував ідею створення нового типу потужного газового лазера – газодинамічного, у 1967 реалізував її. Великий внесок зробив Прохоров і в розвиток досліджень по лазерному термоядерному синтезу. Серед останніх робіт вченого – дослідження з фізики твердого тіла, зокрема надвисокочастотних властивостей плазми твердого тіла, створення неперервних надвеликих магнітних полів.

З 1969 Прохоров був головним редактором Великої Радянської і нової, Великої Російської енциклопедії, Енциклопедичного словника «Фізика».– з 1959 був професором МГУ, а з 1968 завідував кафедрою в Московському фізико-технічному інституті. У 1960 Прохоров був обраний член-кореспондентом, у 1966 – дійсним членом АН СРСР.

У1948 Прохоров був визнаний гідним премії ім. Л.І.Мандельштама, у 1964 – Ленінської премії. Був членом Американської академії наук і мистецтв, почесним док-

Глава 13. Інтенсивність та ширина спектральних ліній

тором ряду університетів.

БАСОВ МИКОЛА ГЕННАДІЙОВИЧ (1922-2001)

Російський фізик.

Після демобілізації в 1945 поступив до Московського інже- нерно-фізичного інституту. З 1948 працював лаборантом у Фізичному інституті ім. П.Н.Лебедєва (ФІАН). По закінченні інституту Басов поступив в аспірантуру (його науковими керівниками були М.О.Леонтович та О.М.Прохоров). У 1953 захистив кандидатську дисертацію по темі “Визначення ядерних моментів радіоспектроскопічним методом”, а в 1956 – докторську, присвячену теоретичним й експериментальним дослідженням моле-

кулярного генератора на аміаку.

У1952 Басов і Прохоров опублікували перші результати теоретичного аналізу ефектів підсилення та генерації електромагнітного випромінювання квантовими системами.. У 1955 Басов і Прохоров запропонували ефективний «трьохрівневий» метод одержання інверсної заселеності, що дозволило їм створити квантові генератори принципово нового типу – мазери). Незалежно і практично одночасно працюючий мазер створив американський фізик Ч.Таунс, і в 1964 Басову, Прохорову і Таунсу «за фундаментальні роботи в галузі квантової електроніки, які привели до створення генераторів і підсилювачів на лазерно-мазерному принципі» була присуджена Нобелівська премія з фізики.

У1959 Басов і Прохоров запропонували створити в напівпровідниках інверсну заселеність в імпульсному електричному полі й обґрунтували створення оптичних квантових генераторів – лазерів з оптичним накачуванням, інжекційних та з електронним збудженням. До кінця 1960-х років у його лабораторії розроблялися також потужні оптичні лазери на рубіні та неодимовому склі, потужний фотодисоційний лазер на парах йоду. У 1968 вперше при опроміненні лазерних мішеней були отримані нейтрони, що зіграло велику роль у подальших роботах з лазерного термоядерного синтезу. Завдяки цим роботам у 1971 була створена перша «технологічна» лазерна установка на неодимовому склі, призначена для стискування лазерних мішеней.

Наприкінці 1960-х років у лабораторії Басова велися дослідження імпульсних фотодисоційних лазерів, у 1970 був створений перший ексимерний лазер. Басов викладав у Московському інженерно-фізичному інституті й приділяв велику увагу просвітительській діяльності – у 1978-1990 був головою Всесоюзного суспільства «Знання», протягом багатьох років був головним редактором науково-популярного журналу «Природа». Басов був почесним членом академій наук багатьох країн світу, довгі роки був віце-головою виконавчої ради Всесвітньої федерації науковців.

13.8.Висновки

1.Енергетична ієрархія термів визначається за допомогою емпіричних правил Хунда (Гунда).

2.Інтенсивність спектральних ліній залежить від коефіцієнтів Ейнштейна: спонтанних переходів А і вимушених В. Коефіцієнт А характеризує кількість спонтанних електрон-

Глава 13. Інтенсивність та ширина спектральних ліній

них переходів за одиницю часу, а В – кількість вимушених переходів за одиницю часу, які створюються електромагнітним полем одиничної густини. Між ними існує зв’язок:

виродження) рівнів Е2 і Е1.

3.Імовірність квантових переходів визначається золотим правилом Фермі. Його застосування до вимушених переходів встановлює зв’язок між коефіцієнтом вимушеного випромінювання Ейнштейна і матричним елементом дипольного

4. Інтенсивності переходів і спектральних ліній зручно опису-

вати за допомогою безрозмірної величини f if Afi 0 - сили

осцилятора, де 0 = 2e2 2/3m0c3 – коефіцієнт спонтанного випромінювання гармонічного осцилятора.

5.Коефіцієнт ослаблення світла при його поглинанні залежить як від сили осцилятора, так і від N2 N1 - заповнення

нів, внаслідок чого середовище підсилює світло, що проходить крізь нього.

6.Інверсія населеності використовується для створення лазерів - генераторів когерентного світла.

7.На ширину спектральних ліній (їхню монохроматичність) впливають три головних фактори: радіаційне затухання, ефект Доплера, вплив зіткнень та взаємодії атомів.

13.9.Контрольні запитання та вправи

1.Від чого залежить інтенсивність спектральних ліній?

2.Яке значення має золоте правило Фермі?

3.Що визначає ширину спектральних ліній?

4.За яких умов має місце підсилення світлового променя?

Глава 13. Інтенсивність та ширина спектральних ліній

5.Принципи побудови лазера.

6.На яких частотах не можна знехтувати спонтанним випромінюванням порівняно з вимушеними переходами?

7.Проаналізуйте, за яких умов створюється стан інверсної населеності і як він впливає на властивості речовини.

8.Що таке сила осцилятора? Проаналізуйте її значення для визначення дисперсії електромагнітних хвиль.

9.Як зміниться форма спектральної лінії, коли сила осцилятора зміниться вдвічі?

10.Проаналізуйте залежність напівширини спектральної лінії від частоти.

11.Для чого в газових лазерах використовують буферний газ?

Тестові завдання

1. ОЦІНИТИ ТЕМПЕРАТУРУ ХМАРИ ВОДНЮ, ЯКЩО ХАРАКТЕРНА ЛІНІЯ ВОДНЮ 21СМ МАЄ ШИРИНУ 5 кГц.

1) 100K ; 2) 30K ; 3) 300K .

2. ВІД ЯКИХ ПАРАМЕТРІВ ЗАЛЕЖИТЬ ІМОВІРНІСТЬ СПОНТАННОГО ПЕРЕХОДУ?

1)часу життя збудженого атома;

2)частоти переходу;

3)мультиплетності комбінуючих термів;

4)кратності виродження термів;

5)значення матричного елемента переходу.

3. ЧИ МОЖЕ ШИРИНА СПЕКТРАЛЬНОЇ ЛІНІЇ БУТИ МЕНШЕ ПРИРОДНЬОЇ (РАДІАЦІЙНОЇ)?

1)ні; 2) може при певних умовах.

4.ЧИ МОЖЛИВО ОЦІНИТИ СЕРЕДНЄ ЗНАЧЕННЯ ДИПОЛЬНОГО МОМЕНТУ ПЕРЕХОДУ, ЗНАЮЧИ ТІЛЬКИ ЗНАЧЕННЯ ІНТЕНСИВНОСТІ СПЕКТРАЛЬНОЇ ЛИНІЇ?

1)так; 2) ні; 3) можливо, але потрібно знати додаткові дані.

Глава 13. Інтенсивність та ширина спектральних ліній

5. ЯКУ ТЕОРЕТИЧНО ПРИБЛИЗНУ ФОРМУ МАЄ СПЕКТРАЛЬНА ЛІНІЯ АТОМІВ НЕОНУ 6328Å В ГЕЛІЙ-НЕОНОВОМУ ЛАЗЕРІ?

1) має вид кривої Лоренца; 2) має вид кривої Гауса.

6. ЯК ІНТЕНСИВНІСТЬ СПЕКТРАЛЬНОЇ ЛІНІЇ ЗАЛЕЖИТЬ ВІД ЧАСТОТИ СПОНТАННОГО КВАНТОВОГО ПЕРЕХОДУ?

7. ЯКА ДОЛЯ АТОМІВ ЗАЛИШАЄТЬСЯ В ЗБУДЖЕНОМУ СТАНІ ЧЕРЕЗ ПРОМІЖОК ЧАСУ, ЩО ДОРІВНЮЄ СЕРЕДНЬОМУ ЧАСУ ЖИТТЯ АТОМІВ У ЦЬОМУ СТАНІ?

8. ЯК МОЖНА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ВИЗНАЧИТИ КОЕФІЦІ-

ЄНТ ЕЙНШТЕЙНА Bn,n 1 ?

1)дослідити спектр поглинання та виміряти коефіцієнт поглинання в максимумі лінії поглинання;

2)виміряти інтегральний коефіцієнт поглинання;

3)дослідити спектр люмінесценції та виміряти інтегральну інтенсивність;

4)дослідити спектр вимушеної люмінесценції та виміряти інтегральну інтенсивність.

9.ВІД ЯКИХ ВЕЛИЧИН ЗАЛЕЖИТЬ ІНТЕНСИВНІСТЬ СПЕКТРАЛЬНОЇ ЛІНІЇ ПРИ ВИМУШЕНИХ ПЕРЕХОДАХ?

1)частоти переходу;

2)ймовірності переходу;

3)інтенсивності збуджуючого світла;

4)монохроматичності збуджуючого світла;

5)правил відбору;

6)температури;

7)співвідношення концентрацій атомів у комбінуючих станах;

8)від значення коефіцієнтів Ейнштейна An та Bn,n 1 .

Глава 13. Інтенсивність та ширина спектральних ліній

10. ЧИ МОЖЕ ПОГЛИНАЮЧЕ СЕРЕДОВИЩЕ ДЛЯ ПЕВНОІ СПЕКТРАЛЬНОЇ ЛІНІЇ СТАТИ ПРОЗОРИМ?

1)принципово ні;

2)так, в активному середовищі;

3) так, коли вирівнюються концентрації N1 та N2 атомів на комбінуючих рівнях з енергіями E1 та E2 ;

4) так, коли виконується умова для енергетичних рівнів, між якими здійснюється квантовий перехід, а саме

N1 N2 g1 , де g1 , g2 — статистичні ваги рівнів.

g2

Література

1.Матвеев А.Н. Атомная физика. Учеб. пособие для студентов вузов.-

М.: Высш. шк.- 1989. - 489 с. ( §43, 48, 50).

2.Белый М.У., Охрименко Б.А. Атомная физика. - К.: Вища шк., Го-

лов. из-во. –1984. –271 с. ( глава 11).

3.Контдратьев В.Н. Структура и спектры молекул. Гос. издат. физ.-

мат. лит.- М.- 1959. -524 с. (§28).

4.Фриш С.Э. Оптические спектры атомов. Гос. издат. физ.-мат. лит.

М-.Л.- 1963. – 640 с. (Глави VI, VII, VIII).

5.Давыдов А.С. Квантовая механика. Наука, М.: 1973. – 703 с. (глава ХII).

6.Ландау Л.Д., Лившиц Е.М., Квантовая механика , М.: - 1972, 386 с. ил. (§ 102 Естественная ширина спектральных линий).

7.Григору В.І., Коротков П.А., Хижняк А.І. Лазерна фізика. Підруч-

ник. – К.: «МП Леся», 1997. – 480 с.: іл..

1. Лабораторні роботи

Гелій-неоновий лазер (робота 9). Овечко В.С., Харченко Н.П., Атомна фізика. Фізичний практикум. Навчальний посібник, К.: Видавничо-поліграфічний центр „Київський університет”. 2005, - 131 с.

2. Задачі та вправи

Глава 13. Інтенсивність та ширина спектральних ліній

3.Харченко Н. П., Прокопенко О. В., Карлаш Г. Ю. Атомна фізика в задачах: Навчальний посібник. Академдрук, - 2007. – 336с. (розділ 12. Ширина та інтенсивність спектральних ліній).

4.Иродов И.Е. Задачи по квантовой физике, М.: Высшая школа, 1991.