Теоретическое введение. Название получившего широкое распространение источника излучения «лазер» или

Название получившего широкое распространение источника излучения «лазер» или произошло от аббревиатуры английского названия этого устройства - LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает «усиление света посредством вынужденного (индуцированного) излучения»).

Лазер – это устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, тепловую, химической реакции) в когерентное электромагнитное излучение оптического (400 – 760 нм) диапазона. Поэтому лазер часто называю оптическим квантовым генератором.

В основе работы лазера лежит явление индуцированного излучения активной средой, частицы которой обладают метастабильными уровнями энергии.

Рассмотрим два энергетических уровня Е₁ и Е₂ атома, иона, или молекулы (Рис. 1).

За счет поглощения фотона или столкновения с другой частицей атом может перейти из основного состояния с энергией Е₁ в возбужденное состояние с энергией Е₂. Среднее время жизни возбужденного состояния составляет обычно величину порядка 10^-8 с, по истечении которого атом самопроизвольно возвращается в основное состояние, излучая фотон с энергией hν = Е₂ – Е₁. Такое излучение называется спонтанным. Свет от большинства источников (Солнце, люминесцентные лампы и лампы накаливания, пламя и т.п.) является примером спонтанного излучения.

Наряду со спонтанным может наблюдаться индуцированное (вынужденное) излучение. Если фотон, испущенный при переходе атома из возбужденного в более низкое энергетическое состояние, столкнется с возбужденным атомом такого же сорта, то возбужденный атом избавится от лишней энергии, испустив фотон, который по характеристикам в точности совпадет с налетающим фотоном, и в среде вместо одного фотона будут распространяться два. Таким образом, вынужденное излучение по своей частоте, фазе, поляризации и направлению распространения полностью идентично падающему (вынуждающему) излучению, т.е. вынужденное излучение высоко когерентно, узко направлено и может быть поляризованным.

У многих частиц некоторые возбужденные состояния характеризуются очень большим временем жизни (порядка 10^-5-10^-3 с), т.е. вероятность спонтанных излучательных переходов с этих уровней, а также возбуждение этих уровней за счет поглощения фотона очень малы по сравнению с обычными уровнями. Такие переходы называют запрещенными, а сами состояния называют метастабильными.

В оптических средах, содержащих частицы с метастабильными уровнями, индуцированное излучение выражено наиболее отчетливо и именно такие среды (их называют активными) могут быть использованы в квантовых генераторах (лазерах и мазерах).

Из-за наличия частиц с метастабильными уровнями активная среда может быть легко переведена в состояние инверсной населенности. В этом состоянии число атомов на метастабильных уровнях будет больше, чем на нижележащих. Т.е. активная среда в инверсном состоянии обладает избыточной энергией, и эта энергия может быть превращена в вынужденное (лазерное) излучение.

Перевод активной среды в состояние с инверсной населенностью называется накачкой. Накачку можно осуществлять разными способами, например, за счет облучения интенсивным световым потоком, за счет электрического разряда, химической реакции, газодинамического истечения и т.п.

Рассмотрим процессы, протекающие в умозрительной активной среде, предположив, что в создании инверсной населенности участвуют три энергетических уровня: основное состояние Е_1­ , возбужденный уровень Е₂, и метастабильный (возбужденный) уровень Е₃ (рис.2) Отметим, что классическая трехуровневая схема может быть с успехом применена для объяснения механизма формирования вынужденного излучения во многих активных средах.

При интенсивной накачке активной среды происходит заселение возбужденного уровня Е₂ (см. рис.2). Время жизни состояния Е₂ невелико (порядка 10^-8 с) и оно распадается по двум каналам - за счет обратных спонтанных излучательных переходов, а также за счет безызлучательных переходов Е₂ – Е₃, которые более вероятны, чем переходы Е₂ - Е₁. Возбужденный уровень Е₃ является метастабильным, поэтому на нем накапливается больше частиц активной среды, чем на основном уровне Е₁, т.е. создается состояние инверсной населенности.

При спонтанном переходе Е₂ - Е₁ рождается фотон, который сталкиваясь с частицами активной среды, находящимися в состоянии Е_2­, индуцирует их переход в основное состояние Е₁. При этих переходах частицами излучаются фотоны, которые, сталкиваясь с другими возбужденными частицами, сами инициируют испускание дополнительных фотонов. В результате образуется (генерируется) каскад фотонов с очень близкими энергиями, которые летят в одном направлении с первым фотоном, инициировавшим их излучение.

Явление индуцированного излучения положено в основу принципа действия оптического квантового генератора (далее ОКГ).

Лазер, в принципе, состоит из трех главных элементов: устройства, поставляющего энергию для преобразования ее в лазерное излучение; активной среды, которая накапливает эту энергию и переизлучает ее в виде лазерного излучения; и устройства обратной связи (оптического резонатора).

Рассмотрим устройство и принцип действия газового лазера на примере лазера на смеси He-Ne (рис. 3).

На концах стеклянной трубки 1 с торцевыми окнами 2, приклеенными под углом Брюстера, расположены электроды 3. Трубка заполнена смесью гелия и неона, выполняющей роль активной среды, и помещена между строго параллельными зеркалами 4, образующими резонатор.

За счет подводимой к электродам электрической мощности возникает газовый разряд. Образующиеся в разряде электроны, сталкиваясь с атомами гелия, переводят их в возбужденное состояние, что отражено на рис.4 стрелкой He (1 – 2). Возбужденное состояние 2 атома гелия близко по энергии к возбужденному состоянию 4 атома Ne. Передача энергии от атомов гелия к атомам неона происходит при их столкновении и отображена на рис. 4 пунктирной стрелкой. Уровень 4 атомов неона является метастабильным и оказывается перенаселенным. При попадании в метастабильные атомы фотонов с энергией, равной энергии перехода с 4 уровня на 3, индуцируется новые переходы с уровня 4 на уровень 3, сопровождающиеся лазерным излучением с длиной волны 632,8 нм. Фотоны, движущиеся параллельно оси трубки, отражаются от зеркал, многократно проходят через газовый разряд в смеси неона и аргона и вовлекают все большее число атомов неона в процесс генерации лазерного излучения. В результате поток циркулирующих между зеркалами фотонов резко возрастает. Одно из зеркал делают полупозрачным и способным пропускать несколько процентов фотонов, которые и создают лазерный луч.

Энергетические уровни 3 и 4 состоят из близкорасположенных отдельных подуровней, различные комбинации переходов между которыми приводят к появлению излучения с разными длинами волн. Однако можно настроить резонатор на нужную длину волны, подбирая расстояние между зеркалами так, чтобы выполнялось условие 2L = kλ, где k = 1,2,3,… .

Т.к. торцевые окна на разрядной трубке приклеены под углом Брюстера к ее оси, то многократно отражаясь от зеркал и многократно проходя через окна, лазерное излучение становится плоскополяризованным.

Особенностям лазерного излучения является:

- высокая интенсивность;

- малая расходимость (узкая направленность);

- высокая монохроматичность и когерентность;

- высокая степень поляризованности.

Экспериментальная часть

Описание установки. Схема установки по наблюдению дифракции лазерного излучения показана на рис.5.

Излучение лазера 1 падает на препятствие 2 (дифракционная решетка, тонкая нить, отверстие и т.п.) и, дифрагируя на нем, создает на экране 3 дифракционную картину. Все три элемента укреплены на оптической скамье 4, снабженной масштабной линейкой 5. Ход лучей при дифракции на решетке показан на рис. 6. Поскольку лазерное излучение имеет малый угол отклонения, падающие на дифракционную решетку лучи можно считать параллельными Условие главных максимумов при дифракции пучка параллельных лучей на дифракционной решетке имеет вид

(1)

где d = a + b называют периодом дифракционной решетки; n – порядком дифракционного максимума; λ – длина волны лазерного излучения.

Используя эту формулу, можно на основе регистрируемой дифракционной картины определить период решетки d или длину волны излучения λ.

Если углы отклонения падающего на препятствие пучка от первоначального направления φ малы, то можно воспользоваться упрощением

, (2)

где x – расстояния между центрами дифракционных максимумов одного и того же порядка, а - расстояние между препятствием и экраном. Подставив соотношение (2) в уравнение (1) получим упрощенную формулу

, (3)

которую, в зависимости от полученного задания, нужно использовать для расчетов при определении периода решетки d или длины волны λ.

Эксперимент выполняется на установке, показанной на рис. 5. Штативы с лазером, предметом, на котором происходит дифракция, и экраном могут перемещаться вдоль оптической скамьи для получения желаемой дифракционной картины.

Порядок выполнения работы

1. Укрепить на штативе предмет, на котором будет проходить дифракция.

2. Под контролем преподавателя или инженера включить лазер.

3. Перемещая штатив с предметом относительно экрана, добить желаемой дифракционной картины.

4. Измерить расстояние между предметом и экраном.

5. Измерить расстояния на экране между максимумами 1-го порядка, 2-го порядка и т.д.

6. Описанный выше дифракционный эксперимент провести при трех разных расстояниях между предметом и экраном. Результаты всех измерений и расчетов занести в таблицу.

Например, при определении длины волны лазерного излучения таблица выглядит следующим образом.

Таблица

Расстояние между решеткой и экраном (см)	Порядок максимума n	Расстояние между дифракционными максимумами х (см)	Длина волны	Примечание
				Период решетки d=10-3 см
Приближенное значение λ
Абсолютная погрешность Δ λ

Контрольные вопросы

1. Происхождение спонтанного и индуцированного излучения.

2. Устройство и принцип действия гелий-неонового лазера.

3. Основные свойства лазерного излучения.

4. Виды дифракционных решеток и их характеристики (период, разрешающая способность).

5. Объяснить возникновение максимумов в спектре дифракционной решетки и классифицировать их. Формула главных максимумов.

6. Сопоставить спектр дифракционной решетки с призматическим спектром.

7. Обосновать расчетную формулу для длины волны в данной работе.

Литература:

1. Детлаф А. А. , Яворский Б. М. Курс физики: Учебн. пособие для втузов. - М.: Высшая школа, 1989.

2. Ищенко Е.Ф., Климков Ю.М. Оптические квантовые генераторы, - М.: Советское радио, 1968.

3. Геворкян З.Г., Шепель В.В. Курс общей физики. – М.; Высшая школа. 1972.

ИССЛЕДОВАНИЕ проникающей способности β-частиц и Определение их максимальной энергии

Цель работы: исследовать поглощение β-частиц алюминиевыми пластинами, построить кривую поглощения и определить максимальную энергию β-частиц.

Приборы и принадлежности: радиометр Б-4, радиоактивный препарат, набор алюминиевых пластин.

Теоретическое введение

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождающееся испусканием элементарных частиц.

В зависимости от происходящего радиоактивные процессы подразделяют на α-распад, β-распад, электронный захват, γ-излучение ядер, спонтанное деление тяжелых ядер и протонную радиоактивность.

Испускаемые α-частицы являются ядрами атома гелия ₂He⁴. Энергия вылетающих при распаде ядра α-частиц велика и составляет величину порядка нескольких МэВ.

Относительно β-частицы можно сказать, что она представляет собой электрон _-1e⁰, рожденный в ядре при его распаде. Кинетическая энергия β-частиц лежит в диапазоне от сотых долей МэВ до нескольких МэВ.

Жесткое электромагнитное излучение, которое представляют собой γ-лучи, лежит в диапазоне длин волн короче 2·10^{-10 м и сопровождает процессы радиоактивного распада, ядерные реакции, процессы аннигиляции частицы и античастицы.}

Известно, что энергия атомного ядра квантована. Поскольку дочерние ядра могут образовываться не только в основном, но и в возбужденных состояниях, испускаемые радиоактивным веществом α-частицы делятся на группы, различающиеся по энергии. По той же причине дискретен спектр и γ-излучения. В то же время, спектр энергий β-частиц непрерывен. Это объясняется тем, что в соответствии с законом сохранения момента импульса испускание β-частицы сопровождается испусканием антинейтрино ΰ, и энергия, высвобождающаяся при распаде, перераспределяется между β-частицей и антинейтрино в самых разнообразных пропорциях.

При описании превращений радиоактивных ядер используют правила смещения, основанные на том, что суммарный заряд z участников процесса и их суммарное массовое число A сохраняются. Любые атомные ядра с заданными числами протонов и нейтронов называют нуклидами.

Испускание α-частицы уменьшает зарядовое число z исходного (материнского) ядра на 2 а.е.з., а массового числа А на 4 а.е.м. Получающееся при этом новое ядро (дочернее) принадлежит элементу, стоящему в Периодической таблице на 2 номера левее материнского.

Испускание β-частицы _-1e⁰ приводит к образованию ядра элемента, стоящего на 1 номер правее.

Испускание γ-кванта переводит ядро в состояние с более низкой энергией, не вызывая изменения зарядового и массового чисел.

Обозначив буквами X и Y химические символы элементов превращения, происходящие при радиоактивном распаде нуклидов, можно отобразить следующими ядерными реакциями:

- α-распад:

_zX^A → _z-2Y^A-4 + ₂He⁴ ;

- β-распад:

_zX^A → _z+1Y^A + _-1e⁰ + ΰ,

- γ -распад:

_zX*^A → _zX^A + hν.

Испускаемые частицы обладают разной проникающей способностью. Например, в воздухе α-частицы проходят путь в несколько сантиметров, но полностью задерживаются тонким листом бумаги. Проникающая способность β-частиц гораздо выше. В воздухе они способны пройти путь в несколько метров, а в твердых телах до нескольких миллиметров. Наивысшей проникающей способностью обладает γ-излучение. Оно свободно преодолевает слои стали, силикатных строительных материалов и т.п. в несколько сантиметров и более.

Проходя через вещество, радиоактивные частицы взаимодействуют с ним, образуя вдоль своего пути множество пар ионов. Так α-частица способна создать около 10⁵ пар ионов. Ионизирующая способность β-частиц сильно зависит от их энергии и в среднем на 2-3 порядка ниже, чем у α-частиц, а эффективность ионизации вещества γ-излучением еще ниже.

Воздействие радиоактивного излучения на вещество пропорционально числу элементарных частиц или ядерных фрагментов, образующихся при распаде. В качестве характеристики последнего процесса используют понятие «активность радиоактивного источника». Под активностью некоторого количества радиоактивного препарата понимают число распадов, происходящих в нем за единицу времени. В системе единиц СИ за единицу активности принимается беккерель (Бк), соответствующий 1 расп/с. В качестве внесистемной единицы часто используется кюри (Ки). Единица активности Ки соответствует 3,7∙10¹⁰ расп/с (такое число распадов происходит за 1 с в 1 г радия).

Активность препарата пропорциональна числу нераспавшихся ядер и уменьшается во времени по экспоненциальному закону

N=N₀∙e^-λt , (1)

где N₀ – число ядер в начальный момент времени,

N –число ядер, не распавшихся к моменту времени t,

λ – постоянная распада, характерная для данного радиоактивного препарата.

Часто при описании радиоактивного препарата используется понятие периода полураспада Т_1/2. Это время, за которое распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер.

Положив в уравнении (1) N=N₀/2 и обозначив t=T_1/2, получим

T_1/2= ln2/ λ . (2)

Для нуклидов различных элементов период полураспада лежит в диапазоне от долей секунды до миллиардов лет. Некоторые нуклиды настолько стабильны, что их самопроизвольный распад наблюдать не удается.

При прохождении β-частиц через какой-либо материал наблюдается их поглощение. По мере проникновения в материал число β-частиц уменьшается примерно по экспоненциальному закону. Типичная кривая, получаемая при измерении числа прошедших через материал β-частиц в зависимости от толщины поглощающего слоя, показана на Рис.1. Заметим, что в измерения вносит вклад естественный радиационный фон, представляющий собой космическое излучение, а также γ-излучение природного нуклида ₁₉К⁴⁰ и нуклидов уранового и ториевого рядов, всегда присутствующих в элементах конструкции зданий, в предметах, наполняющих помещения, и даже в телах работающих в помещениях людей. Чем больше энергия β-частиц, тем глубже они проникают в материал.

Как следует из Рис. 1, кривая поглощения, отражающая зависимость числа β-частиц N, прошедших через материал от толщины поглощающего слоя δ, асимптотически приближается к фону N_ф. Это позволяет определить максимальную глубину δ_макс проникновения β-частиц в материал. Если представить зависимость N(δ) в координатах [ln(N– N_ф), δ], то она окажется приблизительно линейной, и величина δ_макс будет равна отрезку, отсекаемому этой прямой на оси абсцисс (Рис.2).

Для β-частиц с энергией выше 0,6 МэВ между глубиной их проникновения δ и энергией существуют эмпирическое соотношение

ρ∙δ_макс = АЕ_макс – В, (3)

где А и В – некоторые эмпирические постоянные, а ρ – плотность поглощающего материала.

Для алюминия соотношение (3) может быть представлено как

Е_макс = 5∙δ_макс + 0,245 (МэВ), (4)

Таким образом, определив из опыта максимальную глубину проникновения β-частиц в алюминий, можно по формуле (4) рассчитать их максимальную энергию.

Экспериментальная часть

Для проведения опыта используется радиометр Б-4, состоящий из коробки со счетчиком Гейгера-Мюллера и пересчетного устройства Ш-16.

Счетчик Гейгера-Мюллера является детектором высокоэнергетических или заряженных частиц, рентгеновского и γ-излучения. Действие счетчика основано на возникновении импульсного электрического разряда в газе, наполняющем счетчик (часто это неон или аргон с небольшой добавкой этилового спирта, хлора или брома) при попадании в него детектируемого излучения.

Схематично счетчик и его подключение к пересчетному устройству показаны на Рис.3.

Газовый счетчик представляет собой металлический цилиндр 1, играющий роль катода. По оси цилиндра расположена металлическая нить –анод 2. Оба электрода находятся внутри стеклянного баллона, заполненного газом под давлением 100-200 мм рт.ст. Между катодом и анодом прикладывается напряжение 200 – 1000 В. Быстрая частица, попадая в пространство между анодом и катодом, ионизирует газ, вызывая его лавинообразную ионизацию, длящуюся около 10^-2 с и воспринимаемую регистрирующим устройством как отдельный импульс.

Счетное устройство (Рис.4) представляет собой металлический корпус с расположенных на его лицевой панели шестью индикаторными лампами 1, группой кнопочных переключателей 2 и переключателем полярности сигнала 3. Индикаторные лампы считают импульсы по десятичной системе, отображая (справа налево) единицы, десятки, сотни и т.д. импульсов.