Přednáška 16

MODERNÍ FYZIKA IV
Lasery
Jaderná magnetická rezonance
Rentgenové záření
Lasery
Připomenutí
Celková energie elektronu vázaného k atomovému jádru je záporná,
a mění se po skocích. Energie je určena hlavním kvantovým číslem n.
Získá-li vázaný elektron energii
(srážkou s jiným atomem, molekulou, . . . s fotonem, nebo v silném
elektrickém poli),
může přeskočit na vyšší energetickou hladinu – excitovaný stav.
Získá-li energie dostatek může se od atomu zcela uvolnit – ionizace.
Energie volného elektronu je již kladná, není kvantovaná a mění se
tudíž spojitě.
Lasery
Interakce záření s látkovými částicemi
Je-li systém v termodynamické rovnováze, pak je vždy ve stavu
s nejnižší možnou hodnotou celkové energie. Tento stav se nazývá
základní stav (stav neexcitovaný, nevybuzený).
Přechod atomu ze základního stavu do excitovaného:
1. Srážkou s jinou částicí – nezářivý přechod.
2. Absorpcí fotonu – zářivý přechod.
Excitovaný stav je nestabilní, Δt≈10
-8
s. Existují však také stavy
v nichž se atom udrží déle (10
-3
s – 10
-2
s). Říká se jim metastabilní.
Přechod atomu z excitovaného stavu do základního:
1. Srážkou s jinou částicí – nezářivý přechod.
2. Emisí fotonu – zářivý přechod.
Emise:
a) spontánní, samovolná – žárovka, zářivka, plamen …
b) stimulovaná, vynucená – lasery
Lasery
Lasery
Stimulovaná emise se využívá v laserech.
LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
(zesilování světla stimulovanou emisí záření).
Přirozený (rovnovážný) stav atomů s mnoha elektrony:
Nejnižší energ. hladiny obsazeny – horní hladiny neúplně obsazeny
nebo zcela volné (a).
Pro činnost laserů je nutné dosáhnout obráceného obsazení,
tzv. inverze (b):
Proces převádění atomů z nižšího energiového stavu do vyššího
se nazývá čerpání.
Î
Lasery
(3)
Aktivní prostředí je tvořeno atomy schopnými přejít do inverzního stavu.
Ty jsou pak rozptýleny v prostředí nosném (1).
(1)
(2)
(3)
E = h f
Laserů je mnoho typů. Všechny však mají 3 hlavní částí:
nosné a aktivní prostředí (1)
budící zdroj (2)
rezonanční systém (3).
(3)
Lasery
Rubínový laser
(1) Nosné prostředí Al
2
O
3
, v něm ionty aktivní látky (
24
Cr
+++
).
Hladina E
2
je metastabilní. Iont Cr na ní setrvává ≈ 10
-2
s.
E
3
E
2
E
1
hf
3,1
=E
3
–E
1
hf
2,1
=E
2
–E
1
2•hf
2,1
Æ
Æ
Æ
Čerpání Vstupní signál Zesílený výstupní signál
(2) Čerpání je optické pomocí výbojky. Její záblesk trvá ≈ 10
-3
s.
(3) Rezonanční systém: zrcadla Fabryho-Perotova interferometru.
Lasery
Laser He – Ne, laboratoř Fyzikálního praktika.
Stejnosměrné napětí U vyvolá ve výbojce naplněné směsí He a Ne
proud elektronů. Elektrony se srážejí s atomy He a ty se pak srážejí
s atomy Ne.
Atomy Ne emitují světlo podél osy výbojové trubice. Zrcad