uabooks.top

A XX. század 50-es éveinek végén, 60-as éveinek elején a kvantumfizika szakértői több felfedezést tettek, amelyek idővel nagyban megváltoztatták az emberiség életét. Az új felfedezések között méltó helyet foglal el a kvantumgenerátorok feltalálása. Megvizsgáljuk, mit is takar ez a megnevezés, amely szinte a fantasztikus regényekből lépett elő.

Spontán és kényszersugárzások

Ha az atomot valamilyen módon gerjesztett állapotba hozzák, akkor visszatérve az eredeti állapotába fénykvantumokat bocsát ki. A fénysugárzás gerjesztésének „szabványos” módja az atomok magas hómérsékleten való ütköztetése, viszont léteznek másféle (nem hőhatású) módszerek is. Az anyag atomjai kémiai reakciók folytán is kerülhetnek gerjesztett állapotba, de történhet magasfrekvenciájú hanghatás eredményeként, röntgen vagy γ-sugarak hatására, az anyag dörzsölése, hasítása által is.

A gerjesztett állapotú atom élettartama nagyon rövid, nagyjából 10^-9 — 10^-10 s-ig tart, majd utána az elektron fotonok kisugárzásával „önállóan” (spontán) visszatér az eredeti állapotába.

Azt a sugárzást, amely az atomnak egyik állapotból a másikba való spontán átmenetekor jön létre, spontán sugárzásnak nevezzük.

A spontán sugárzás nem koherens, mivel minden atom a többitől függetlenül kezdi meg és fejezi be a sugárzást. Némely esetekben az atomok visszatérése gerjesztett állapotból eredeti állapotukba kényszerűen is történhet.

Külső elektromágneses tér hatására létrejött sugárzást indukált vagy kényszersugárzásnak

nevezik.

Természetesen az ilyen átmenetet nem kezdeményezheti bármilyen, hanem kizárólag az átmenet saját frekvenciájával megegyező frekvenciájú elektromágneses tér.

Az átmenet saját frekvenciájának annak a fotonnak a frekvenciáját nevezzük, amelynek elnyelésekor az atom alapállapotból gerjesztett állapotba kerül.

Már említettük, hogy az atom nagyon rövid ideig van gerjesztett állapotban. Azonban egyes atomok rendelkeznek olyan gerjesztett állapottal, amely elég sokáig fennmarad, akár 10^-3 s-ig. Az ilyen állapotot metastabil állapotnak nevezzük. Épp az ilyen atomokból jövő kényszersugárzást regisztrálták először, ami elősegítette egy teljesen új generátor, a kvantumgenerátor létrehozását. A kényszersugárzásokra jellemző, hogy monokromatikusak és koherensek.

Lumineszcencia és luminoforok

A nem termikus eredetű fénykibocsátást, amely az anyag által elnyelt gerjesztési energia következtében jön létre, lumineszcenciának, az anyagokat pedig, amelyek képesek az elnyelt nem hőenergiát fénysugárzássá átalakítani, luminoforoknak nevezzük.

A lumineszcencia példája az úgynevezett nappali fény lámpa. Ezek a lámpák alacsony nyomású higanygőzzel töltött üvegcsövek. A cső' belső' falát luminofor anyaggal vonták be. A higanygőzben végbemenő' gázkisülés következtében létrejövő' ultraibolya sugárzás a lumi-noforra kerülve a nappali fényhez közeli fényt kezd kibocsátani.

Egyes luminoforokat radioaktív sugárzás indikátoraiként hasznosítanak. A szerves luminoforokat — lumogéneket — fluoreszkáló festékek, lumineszcens anyagok eló'állításához használják, például az útjelző' táblákhoz.

Idézzétek fel, milyen sugárzást nevezünk monokromatikusnak? Koherensnek?

Hogyan működik a kvantumgenerátor

A józan ész szempontjából a megnevezés azt jelenti, hogy az eszköz az elektromágneses sugárzás kvantumjait „gyártja” nagy mennyiségben. Viszont ha ezt a logikát folytatjuk, arra a következtetésre jutunk, hogy az egyszerű izzólámpa is kvantumgenerátor, ami viszont közel sincs így.

Kvantumgenerátor - olyan elektromágneses hullámforrás, amelynek működése a kényszersugárzás elvére épül.

Az első kvantumgenerátort 1954-ben hozta létre egymástól függetlenül radiofizikusok két csoportja — Nyikolaj Gennagyijevics Baszov (1922—2001), Alekszandr Mihajlovics Prohorov (1916—2002) szovjet és Charles Hard Townes (1915—2015) amerikai tudós vezetésével. A feltalált kvantumgenerátor rádiótartományú elektromágneses hullámokat bocsátott ki.

1960-ban alkották meg az első lézereket — optikai tartományban működő kvantumgenerátorokat. Működési elvük a következő. Ha a gerjesztett atomra foton esik, amelynek energiája megegyezik a gerjesztési energiával, akkor az elsődleges foton kölcsönhatása a gerjesztett elektronnal azt eredményezi, hogy az elektron másodlagos foton kisugárzásával visszatér az alapszintre. A második foton mozgásiránya és energiája egybeesik a kisugárzást kezdeményező első foton mozgásirányával és energiájával, azaz egy „foton-ikerpár” jön létre (38.1. ábra). Ha az anyagban sok gerjesztett atom található, a foton-ikerpár négy új ikerpárt hoz létre, és így tovább. Végső soron azonos tulajdonságokkal rendelkező fotonlavina jön létre.

Megvizsgáljuk, hogyan megy végbe az elektromágneses sugárzás felerősítése és generálása a rubinlézerekben. Az ilyen lézerek aktív közege a rubinkristály. A rubin — alumínium-oxid kristály (A1₂0₃), melyben az alumíniumatomok egy részét (~0,05%) krómatomokkal helyettesítették (a krómatomok instabilak). A kristályt henger alakúvá alakítják (38.2. ábra), két végére félig áteresztő vagy egy nagy visszaverő képességű tükörréteget vonnak. Az egyik tükrös felület részlegesen átlátszó: a ráeső fénynyaláb 92%-a visszaverődik, a maradék 8%-ot átereszti. A rubinrúd a gerjesztő sugárforrásként szolgáló impulzív spirál alakú villanólámpa belsejében található. A krómatom, miután elnyelte a lámpa sugárzási spektrumában lévő meghatározott hullámhosszú sugárzást, az Ei energiával rendelkező alapszintről az E₃ és E₄ energiájú gerjesztett szintre megy át (38.3. ábra).

Az atomok egyik szintről a másikra való átvitelét pumpálásnak nevezzük, az erre a célra felhasznált lámpát pedig pumpáló lámpának.

A krómatomok létezése gerjesztett állapotban (az Ε_ά és E± energiával rendelkező szinteken) nagyon rövid ideig tart, ezért az atomok nagy része erről a szintről az E₂ energiájú me-tastabil szintre megy át (38.3. ábra).

Amint egy krómatom foton kibocsátásával spontán átmegy metastabil szintről az alapszintre, a metastabil állapotban lévő krómatomok által létrehozott indukált sugárzás hatására fotonlavina keletkezik. Ha az elsődleges foton iránya egyértelműen merőleges a rubinlézer végén lévő tükör síkjára (ilyen fotonok mindig előfordulnak), akkor az elsődleges és másodlagos fotonok visszaverődnek az első tükörtől, és a kristályon keresztül a másik tükör felé repülnek. Útjuk során az új krómatomokban kényszersugárzást okoznak, és így tovább. Az összes gerjesztett krómatom felvillanása 10^-8 — 10^-10 s alatt fejeződik be. A lézer fénysugárzásának teljesítménye eközben akár 10⁹ W is lehet, azaz meghaladhatja egy nagy villanytelep teljesítményét.

Különféle típusú kvantumgenerátorok

A kvantumgenerátorok megnevezése az általuk kibocsátott hullámok hosszától függ, de mindegyik az angol amplification by stimulated emission of radiation kifejezés rövidítéséből származik (erősítés stimulált fénysugárzással).

Az első kvantumgenerátor a mézer - a koherens elektromágneses hullámokat milliméteres rádióhullám sávban sugárzó berendezés (angol microwave - mikrohullámú).

A másik típusú kvantum-generátorok — a lézerek — a látható fény sávjában működnek (angol light - fény).

Rázer — röntgenhullámokat kibocsátó kvantumgenerátor.

Gázer — olyan kvantumgenerátor, amelyik...

Reméljük, nem okoz gondot megtalálni, hogy az elektromágneses hullámok melyik tartományában sugároznak a gázerek.

Hol alkalmazzák a lézereket?

A mai kvantumgenerátorok nagyon sokfélék: különböző tartományú hullámhosszokon működnek (mézerek, lézerek, rázerek, gázerek), eltérő aktív anyagot tartalmaznak (szilárdakat, gázokat, félvezetőket, cseppfolyósakat). Nem fogjuk vizsgálni a kvantumgenerátorok felhasználásának összes ágát, csupán egyet - a lézert - tanulmányozunk részletesebben. A lézer — látható fény sávjában működő kvantumgenerátor.

A lézernyalábokat a kozmetológiában és gyógyászatban, pontosabban a sebészetben, szemészetben használják (38.4. ábra). A „lézerszi-kével” végzett műtétek során a seb széle nem vérzik. A szemészetben lézer segítségével „he-gesztik” a levált retinát a szemüreg aljához, amivel sok embert mentenek meg a vakságtól.

A nagyteljesítményű lézerek, amilyen az infravörös lézer is, koncentrált nyalábját anyagok megmunkálásánál (vágásánál, hegesztésénél, fúrásánál) alkalmazzák.

Csak lézerek segítségével sikerült létrehozni a háromdimenziós képalkotás módszerét — a holográfiát.

Lézernyalábot száloptikai kábelen továbbítva valósítják meg a telefon és televíziós kapcsolatot. A magas vivőfrekvencia (~ 10¹³ — 10¹⁴ Hz) lehetőséget nyújt több millió zenei és televíziós műsor továbbítására.

Lézersugár segítségével határozzák meg a mozgó objektumok távolságát, azok sebességét. A lézeres helymeghatározás pontosabb a rádiólokátoroknál: a fénysugarak jóval rövidebbek a rádióhullámoknál, ezért a lézernyalábok kevésbé szóródnak, és szinte nem kerülik meg az akadályokat.

38.4. ábra. Lézerek alkalmazása a gyógyászatban: a - bőr lézeres kezelése; b - lézeres sebészkés; c - lézeres látásjavítás

Összegezés

Az atom egyik energiaszintról a másikra történő' átmenete során fényt sugároz.

Azt a sugárzást, amely az atomnak egyik állapotból a másikba való spontán átmenetekor jön létre, spontán sugárzásnak nevezzük. A spontán sugárzás nem koherens és polikromatikus.

Külsó' elektromágneses tér hatására létrejött sugárzást indukált vagy kényszersugárzásnak nevezik. Az ilyen sugárzás koherens és monokromatikus.

A koherens monokromatikus elektromágneses sugárzás forrását kvantum-generátornak nevezik. Az optikai tartományban működó' kvantumgenerátorok — a lézerek. A lézereket a gyógyászatban, távközlésben alkalmazzák.

Ellenőrző kérdések

1. Milyen sugárzást nevezünk spontánnak? Kényszersugárzásnak? Nevezzétek meg a tulajdonságaikat! 2. Milyen tulajdonságokkal kell rendelkezniük az aktív anyag atomjainak a kvantumgenerátorokban? 3. Milyen a lézer felépítése?

4. Magyarázzátok el a lézer működési elvét! 5. Soroljatok fel példákat a lézerek alkalmazására!

38. gyakorlat

1. Mondjatok példát lumineszcenciára a természetben!

2. Miért nem tekinthető' a közönséges izzólámpa kvantumgenerátornak?

A rubinlézer atomok maximális energiaszintjüket az 560 nm hosszúságú fényhullámok elnyelésekor érik el, miközben a lézer 694 nm hosszúságú hullámokat hoz létre. Mekkora energiát bocsát ki az atom a legmagasabb energiaszintű állapotból a metastabilba történő átmenete során?

4. A lézer mutatópálca — hordozható kvantum-fény generátor. Hány fotont bocsát ki az ilyen generátor másodpercenként, ha 532 nm hullámhosszon működik, sugárzási teljesítménye pedig 5 mW? Milyen színű fényt sugároz ez az eszköz?

5. Válasszátok ki a lézerek felhasználásának egyik irányát, és készítsetek rövid beszámolót a kiválasztott ágazat fejlődéséről és annak perspektíváiról!

6. A lézer tanulmányozásával és magas intenzitású lézerrendszerek kifejlesztésével foglalkozó egyik kutatócsoport vezetője Donna Strickland (szül. 1959) kanadai tudós, a 2018. évi fizikai Nobel-díj kitüntetettje. Járjatok utána, milyen eredményekért ítélték neki a díjat!

Kísérleti feladat

Végezzetek kísérleteket lézer mutatópálca segítségével! A kísérletek menetét egyedül is kigondolhatjátok, de az interneten is tájékozódhattok.

FIZIKA SZÁMOKBAN

Hogyan válasszunk lézer mutatópálcát?

Különböző lézerek léteznek. Azonos teljesítmény mellett az emberi szem a zöldeket 4-15-ször érzékeli élénkebbnek, mint a pirosakat, 20-szor erősebben, mint a kékes-lilát, 190-szer, mint a lilát.

De még a legkisebb teljesítményű lézerek is veszélyesek lehetnek az emberi szemre. Minden eszköznek megvan a biztonsági osztályba sorolása. A táblázatból tájékozódhattok róla, milyen zöld lézereket célszerű alkalmazni a különféle feltételek mellett.

 

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev