Тема: Теория

[Korol]

 Задавались ли вы когда-либо вопросом, как генерируется лазерное излучение? Как вообще появляется излучение (любое, к примеру, от лампочки)? Что можно сказать по этому излучению? Я в скором будущем напишу здесь (пока идет подготовка). Я буду писать по плану:
   

• Модель атома Резерфорда.
• Постулаты Бора.
• Спектр.
• Эксперименты.
• Генерация лазерного излучения.
• Методы и особенности накачки лазеров.
• Конструкция лазеров.
• Методы расчета некоторых характеристик лазеров

 Вообще это план может немного изменится (что-то, может, добавлю). Я ещё буду рассматривать такие эксперименты, которые вы сможете проделать даже дома! И если надо будет, я расскажу, как сделать необходимые приспособления или где можно достать.

Комментарии:

• Пункты 1,2,3 – очень важны.
• В пункте 4 будет эксперименты со спектром. Я расскажу, как сделать некоторое приспособление, чтобы провести эти эксперименты.
• В пункте 8 я расскажу, как рассчитывать некоторые параметры лазеров (для газовых). К примеру: ток, напряжение, давление, методы повышения мощности гелий-неонового лазера, некоторые параметры лазеров на углекислом газе, ионных лазеров, азотного лазера.

[Korol]

 В первой четверти XX-го века было установлено, что атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки. Почти вся масса атома (не менее 99,95%) сосредоточена в ядре. Это связано с тем, что ядро состоит из «тяжелых» протонов и нейтронов, а электронная оболочка — из одних только «легких» электронов. Число электронов в оболочке нейтрального атома равно заряду ядра, если за единицу принять элементарный заряд (т. е. заряд электрона по абсолютной величине). Но электронная оболочка может терять или приобретать электроны. Тогда атом становится электрически заряженным, т. е. превращается в положительный или отрицательный ион.
 
 Химические свойства атома определяются электронной оболочкой, точнее, ее наружными электронами. Такие электроны сравнительно слабо связаны с атомом и поэтому наиболее подвержены электрическим воздействиям со стороны наружных электронов соседних атомов. То же относится к силам притяжения или отталкивания между нейтральными атомами и молекулами (к молекулярным силам). Напротив, протоны и нейтроны прочно связаны внутри ядра. Чтобы воздействовать на ядро, нужны силы, в миллионы раз превосходящие те силы, которые достаточны для отрыва наружных электронов атома. Однако строение и свойства электронной оболочки определяются в конце концов электрическим полем ядра атома.

 Если изложенная модель атома соответствует действительности, то атом должен быть в высокой степени прозрачным для пронизывающих его частиц. Для пучка электронов это было установлено еще Ленардом. Однако окончательное экспериментальное доказательство этой модели атома было дано Резерфордом в 1911 г. Поэтому она по справедливости называется моделью Резерфорда. По предложению и под руководством Резерфорда его ученики Гейгер и Марсден  исследовали количественно рассеяние ?-частиц, испускаемых радиоактивными веществами. В их опытах параллельный пучок ?-частиц направлялся в вакууме на тонкую металлическую фольгу и рассеивался ею. Применялся визуальный метод регистрации рассеянных ?-частиц. При ударе о флуоресцирующий экран из сернистого цинка ?-частица оставляла на нем вспышку (сцинтилляцию). Отдельные сцинтилляции можно было наблюдать в темноте через лупу или микроскоп. И экспериментаторы производили подсчет таких сцинтилляций.

 Оказалось, что подавляющее число ?-частиц рассеивалось на небольшие углы порядка 1-3°. Угловое распределение таких частиц хорошо описывалось кривой случайных ошибок Гаусса. Однако наблюдались также отдельные ?-частицы, отклоняющиеся на большие углы, доходившие до 150°. Относительное число таких частиц было ничтожно. Например, при прохождении через платиновую фольгу пучка ?-частиц от RаС) из 8000 падающих частиц в среднем только одна частица отклонялась на угол, превышавший 90°. Но и этого было бы слишком много, если бы большие отклонения возникали в результате накопления множества случайных отклонений.

 Резерфорд сделал вывод, что каждое большое отклонение появляется в результате единичного акта взаимодействия какого-то практически точечного силового центра с близко пролетающей ? -частицей. Таким силовым центром и является положительно заряженное ядро атома. Сама ?-частица есть также атомное ядро, именно ядро атома гелия. Это подтверждается тем, что ?-частица может быть получена в результате двукратной ионизации атома гелия, как это было уже ранее установлено тем же Резерфордом. Электростатическое взаимодействие между этими двумя ядрами и вызывает рассеяние ?-частиц на большие углы. И в результате таких результатов опытов, возникла планетарная модель атома(в центре массивное образование, и вокруг этого образования вращаются намного меньшие частицы). А Могут ли атомное ядро и окружающая его электронная оболочка образовать устойчивую систему, какой является атом? Если бы это было возможно, то эти частицы не могли бы находиться в покое. В противном случае получилась бы электростатическая система (практически) точечных зарядов, между которыми действуют кулоновские силы, а такая система неустойчива. Кулоновы силы меняются обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими частицами. Но так же меняются гравитационные силы между телами планетной системы. Устойчивость планетной системы обеспечивается вращением планет вокруг Солнца. Поэтому Резерфорд естественно пришел к планетарной модели атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра.

 Однако, согласно классической электродинамике, при движении заряда меняется и электромагнитное поле, источником которого является заряд. В частности, электрический заряд, движущийся ускоренно, излучает электромагнитные волны. Вращающийся электрон имеет ускорение, а потому должен непрерывно излучать. Теряя энергию на излучение, электрон непрерывно приближался бы к ядру и в конце концов упал бы на него. Таким образом, и при наличии движения получается неустойчивая модель атома. Можно было бы предположить, что закон Кулона и прочие законы, определяющие электромагнитное поле в электродинамике, нарушаются в случае элементарных частиц и малых расстояний. Можно было бы учесть ядерные силы и ввести неизвестные нам гипотетические силы, обеспечивающие устойчивость атома. Но и это не спасает положения. Каковы бы ни были силы, согласно общим принципам классической механики спектр излучения атома должен состоять из нескольких основных частот и соответствующих им обертонов. Опыт приводит к совсем иной закономерности, выражаемой комбинационным принципом Ритца. Приходится констатировать, что классическая механика и электродинамика оказались не в состоянии объяснить существование атомов как устойчивых систем атомных ядер и электронов. Решение этой проблемы было получено только в рамках квантовой механики.
И тут вступает в силу постулаты Бора. Которые гласят следующие:

• существуют в атоме так называемые стационарные орбиты. При движении электрона по этой орбите излучение энергии не происходит
• любой переход с одной орбиты на другую сопровождается выделением или поглощением энергии: E1-E2=??

 Это и спасло модель атома Резерфорда. Позже поняли, что поведение электрона и других малых частиц описывать методами классической механики нельзя. Там орудует квантовая механика.
Ну вот вам пример:
 Считается, что такие явления как интерференция и дифракция(вообще дифракция это частный случай интерференции) возможны только для волн. Но была обнаружена дифракция электронов! Все тоже самое, что и для света. Только место пучка света - электроны. Мало того, у них даже было одинаковое поведение!Т.е. явление интерференции и дифракции описывают одни и те же уравнения что и для света или звука.

Так, что такое электрон(ну, или любая другая квантовая частица)?
Это волна или что-то материальное?

Более того. Есть принцип не определенности. Никогда не можно сказать есть ли в определенном объеме частица. Можно сказать только с некоторой вероятностью, что она там есть. В квантовой механики много таких фокусов. И этим она сложна. Там нужно особое мышление.

 Теперь некоторое уточнение. Возьмем атом водорода. В обычно его изображают так: круг(орбита электрона), а в центре точка(ядро(протон)). Вообще там не всё так просто. Если учесть то, что электрон проявляет волновые свойства, то получится что в реале модель орбиты у электрона примерно такая(пунктирными линиями это классическое представление)(в реале там все сложнее, это модель,т.е. упрощенный вариант):



Де Бройль использовал представление о фазовых волнах для наглядного толкования таинственного правила квантования Бора в случае одноэлектронного атома. Он рассмотрел фазовую волну, бегущую вокруг ядра по круговой орбите электрона. Если на орбите длина волны ? укладывается целое число раз то волна при обходе вокруг ядра будет всякий раз возвращаться в исходную точку с той же фазой и амплитудой. В каждой точке орбиты установится неизменный колебательный режим во времени и не возникнет излучения. В этом случае орбита получится стационарной. Если же указанное условие не выполняется, то при обходе вокруг ядра фаза и амплитуда волны не возвратятся к своим исходным значениям стационарного состояния не получится(т.е. электрон не на стационарной орбите).

Рекомендуемая литература

Кому интересно почитать о квантовой механике рекомендую такие книги:
1. Мигдал А. Б. - Квантовая механика для больших и маленьких, 1989 г. ISBN 5-02-013880-0
2. Грин Б. - Элегантная Вселенная, 2004 г. ISBN 5-354-00161-7
В последней книги делают упор на теорию струн. Но о квантовой механике немного тоже говорят.

[bigaboon]

Подборка книг по квантоввой механике. Прямые ссылки без регистрации.

[Korol]

Напомню постулаты Бора:

• Существуют в атоме так называемые стационарные орбиты. При движении электрона по этой орбите излучение энергии не происходит.
• Любой переход с одной орбиты на другую сопровождается выделением или поглощением энергии: E1-E2=??(или E1-E2=h?).

Сейчас будет интересовать второй постулат. Если атому сначала сообщили энергию(столкновение с другим атомом или электроном или он поглотил энергию света), то он перейдет на более высокий уровень энергии E2. Но на этом уровне энергии Е2 атом долго находится не может и он переходит с уровня Е2(более высокий) на уровень Е1(более низкий). Но при этом он должен излучить энергию в виде света(кванта)определённой частоты(E1-E2=h?). Но уровень E1 не обязательно стационарный.

 Ну к примеру.
 В гелий-неоновом лазере, когда атом неона излучает квант. Атом не переходит на стационарный уровень. Он переходит на него только тогда, когда атом неона сталкивается с стенками капилляра трубки(передает лишнюю энергию атомам стекла).

 Это относится практически к всем видам излучения.

К примеру тепловое.
Известно, что все тела которые имеют температуру более 0 К(или -273.15°С)излучает тепловое излучение. Это излучение генерируется благодаря тому, что атомы или молекулы сталкиваются между собой и их кинетическая энергия переходит на энергию возбуждения уровней энергии и атом или молекула совершают переходы с одного уровня энергии на другой. Но в конце-концов атом(молекула) переходит на стационарный уровень и излучает квант в виде ИК-излучения.

А теперь к более сложному.
Состояние атома характеризуется квантовыми числами. Я оглашу только некоторые:
1. Главное квантовое число n.
Оно может принимать только целые значения:

n= 1, 2, 3, 4, ...

2. Азимутальное(орбитальное) квантовое число l.
Определяет значение квадрата орбитального механического момента, принимающего, при заданном n, целые числа:

l=0, 1, 2, 3, ..., (n-1)

Состояние l принято обозначать буквами
0 - s
1 - p
2 - d
3 - f
4 - g
5 - h
6 - i
7 - k
8 - l
9 - m
10 - n
11 - o
12 - q
13 - r
14 - t
И называют их s-состояние, p-состояние и т.д..
3. Орбитальное магнитное квантовое число m_i
Оно принимает значения:
m_i= l, (l-1), ..., -l
4. Спиновое магнитное квантовое число m_s
Принимает только значения:
m_s= 1/2, -1/2

Принцип Паули
Принцип Паули позволяет определить возможное число электронов в атоме, обладающих заданными значениями определенных квантовых чисел.

Если задано значение главного квантового числа n и азимутального квантового числа l, то, возможны 2(2l + 1) состояний, отличающихся значениями m_i и m_s. Следовательно, в атоме может быть не более 2(2l + 1) электронов с заданными n и l. Электроны в состояниях с l - 0, 1, 2, 3,..., т.е. в s-, p-, d-, f-, ... состояниях, называют соответственно s-, p-, d-, f-, ... электронами. Таким образом, при заданном n в атоме может иметься 2(2*0 + 1) = 2 s-электрона (I = 0), 2(2*1 + 1) = 6 р-электронов (I = 1), 2(2*2 + 1) = 10 d-электронов (l = 2), 2(2*3 + 1) = 14 f-электронов (l = 3) и т.д..
Если задано значение главного квантового числа n, то возможны 2n² состояний, отличающихся значениями l, m_i и m_s. Следовательно, в атоме может быть не более 2n² электронов с заданным n, т.е. может иметься 2, 8, 18, 32,... электронов с n = 1, 2, 3, 4,... .
Электроны с одинаковыми значениями n и l принято называть эквивалентными электронами. Их обозначают символами ns, nр, nd, nf, ... для l = 0, 1, 2, 3,... и указывают число таких электронов в виде показателя у символа, например, 2р³, Зd⁴, 5f² и т.д. (если имеется один электрон данного рода, то показатель 1 не указывается).
Возможные числа эквивалентных электронов с различными значениями n и l даны в таблице:

Сумма показателей в горизонтальном ряду дает полное число электронов 2n², т.е. 2,8,18,32,50,... для n = 1, 2,3,4,5,... .
Совокупность значений n и l для всех N электронов в атоме
n₁l₁   n₂l₂,   n₃l₃, ...,  n_Nl_N
характеризует определенную электронную конфигурацию. Например, для 3-х электронного атома в принципе возможны конфигурации
1s²2s,    1s²2p,    1s2s²,    1s2s2p   и т.д..

 С наглядной точки зрения электроны с разными значениями n распределяются относительно ядра различным образом, тем дальше от ядра, чем больше n. Электроны с заданным значением главного квантового числа n образуют определенный слой, содержащий, при полном его заполнении, 2n² электронов. Электроны с различными значениями l при заданном п отличаются своей энергией и пространственным распределением. При данном значении азимутального квантового числа l они образуют оболочку, содержащую, при полном ее заполнении, 2(2l + 1).

 В соответствии с таблицей мы имеем следующую картину.

 Самый внутренний слой соответствует n — 1 и состоит только из одной оболочки 1s. Он заполняется двумя электронами.
Следующий, более внешний слой соответствует n — 2, состоит из двух оболочек 2s и 2р и заполняется 8 электронами.
Последующие, еще более внешние слои, соответствуют n — 3,4, 5,... и состоят из трех, четырех, пяти, ... оболочек, заполняясь 18, 32, 50, ... электронами.
Таким образом, таблице приобретает наглядный смысл, определяя распределение электронов в атоме по слоям и оболочкам. Слои с n — 1,2,3,4,5,6 часто называют: К-, L-, М-,  N-, О-, Р-слоями.

 Заполнение электронных слоев и оболочек в атоме определяется энергией электронов в этих слоях и оболочках. Электроны стремятся заполнить состояния с наименьшей энергией, т. е. соответствующие наиболее прочной связи. Нормальная электронная конфигурация любого атома соответствует заполнению электронных состояний с наименьшими возможными значениями энергии. Энергия электрона тем меньше, чем меньше n. Сначала должен заполняться слой n — 1, затем слой n — 2, затем слой n — З и т.д. Иначе говоря, слои заполняются в порядке их удаления от ядра, начиная с самого внутреннего.

 Заполнение слоев с последовательными значениями n определяет общую структуру периодической системы элементов.

 Начало каждого периода соответствует началу заполнения соответствующего электронного слоя. У Н начинается заполнение первого слоя, у Li — второго, у Nа — третьего, у К — четвертого, у Rb — пятого, у Cs — шестого, у Fr — седьмого.
В начале периодической системы происходит полное заполнение слоев и число элементов в периоде совпадает с полным числом 2n² электронов в слое. У Не с двумя электронами (Z = 2) полностью заполняется слой n — 1 и в первом периоде имеются два элемента. У Ne с десятью электронами (Z = 10) полностью заполняется вслед за первым слоем n = 1 и второй слой n — 2; во втором периоде имеется восемь элементов.
Дальнейшее заполнение слоев осложняется тем, что, наряду с зависимостью энергии электрона от n, весьма существенна и ее зависимость от l при заданном n, и поэтому нужно учитывать не только порядок заполнения слоев, но и порядок заполнения оболочек.

 И с связи с тем, что каждый атом имеет свои особенности строения электронной оболочки. Можно сделать вывод:
У каждого элемента свои особенности энергетических уровней(не, кое-какая схожесть может быть, но не 1 в 1!),т.е. А с этого можно сделать вывод, что спектр излучения у каждого элемента индивидуален. И ещё главная вещь: Разрешены переходы только между уровнями с различными значениями n, l, m_i !Вот в качестве наглядного примера:


 Есть ещё такое как вероятность перехода. Но это в принципе на интуитивном уровне понятно что это.

 По спектру можно не только определить, что за примеси есть в веществе. А можно ещё определить что светит(молекула, атом, ион твердое тело(далее тт)). По особенностям излучаемого спектра можно определить температуру, давление и т.д..

 Спектр атомов и ионов при низком давлении линейчатый. Вот к примеру:
Спектр  гелия:

 При повышении давления энергетические уровни сжимаются(спектральные линии утолщаются и сливаются) из-за этого при определенном значении давления спектр станет непрерывным. Ещё может при разных давлениях могут меняться вероятности переходов. Ну к примеру, при низком давлении вероятность некоторых переходов может быть высока(и при спектральном анализе видны эти линии, которые излучают атомы при этом переходе), но при повышении давлении эта вероятность уменьшается и эти линии, которые излучают атомы при этом переходе слабеют или вовсе исчезают.
А вот фотография спектра водорода:

 Эти яркие линии - это спектр атома водорода. А вот на заднем фоне виден спектр молекулы водорода. Спектр молекул полосатый(ну, те же линии, только их толщина гораздо больше).
 А вот зависимость интенсивности от длины волны для твердого тела нагретого до 3000°С(спираль лампы накаливания)

 С этой зависимости видно, что спектр твердых тел непрерывный.

 Разумеется я о многом не писал. Чтобы легче воспринималось.

Продолжение следует

[Случайность]

готлично написано,  интересная информация. Во всяком случае хотб для начального понимания что и как Мне понравилось