Физика 9 класс. 1. Физика. Методы познания природы. Физические явления
 Скачать 5.42 Mb.
|
80. Строение атома. Опыт Резерфорда. Планетарная модель атома Резерфорда-Бора.Планетарная модель атома, или модель Резерфорда — историческая модель строения атома, которую предложил Эрнест Резерфорд в результате эксперимента с рассеиванием альфа-частиц. По этой модели атом состоит из небольшого положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого движутся электроны, — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Планетарная модель атома соответствует современным представлениям о строении атома с учётом того, что движение электронов имеет квантовый характер и не описывается законами классической механики. Исторически планетарная модель Резерфорда пришла на смену «модели сливового пудинга» Джозефа Джона Томсона, которая постулирует, что отрицательно заряженные электроны помещены внутрь положительно заряженного атома. К 1904 году японский физик Нагаока разработал раннюю, ошибочную «планетарную модель» атома («атом типа Сатурна»)[1]. Модель была построена на аналогии с расчётами устойчивости колец Сатурна (кольца уравновешены из-за очень большой массы планеты). Модель Нагаоки была неверна, но два следствия из нее оказались пророческими: ядро атома действительно очень массивно; электроны удерживаются на орбите благодаря электростатическим силам (подобно тому, как кольца Сатурна удерживаются гравитационными силами). Новую модель строения атома Резерфорд предложил в 1911 году как вывод из эксперимента по рассеиванию альфа-частиц на золотой фольге, проведённого под его руководством. При этом рассеянии неожиданно большое количество альфа-частиц рассеивалось на большие углы, что свидетельствовало о том, что центр рассеяния имеет небольшие размеры и в нём сосредоточен значительный электрический заряд. Расчёты Резерфорда показали, что рассеивающий центр, заряженный положительно или отрицательно, должен быть по крайней мере в 3000 раз меньше размера атома, который в то время уже был известен и оценивался как примерно 10−10 м. Поскольку в то время электроны уже были известны, а их масса и заряд определены, то рассеивающий центр, который позже назвали ядром, должен был иметь противоположный электронам заряд. Резерфорд не связал величину заряда с атомным номером. Этот вывод был сделан позже. А сам Резерфорд предположил, что заряд пропорционален атомной массе. Недостатком планетарной модели была её несовместимость с законами классической физики. Если электроны движутся вокруг ядра как планеты вокруг Солнца, то их движение ускоренное, и, следовательно, по законам классической электродинамики они должны были бы излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро. Следующим шагом в развитии планетарной модели стала модель Бора, постулирующая другие, отличные от классических, законы движения электронов. Полностью противоречия электродинамики смогла решить квантовая механика. Опыт Резерфорда: предложение своей модели атома В своих опытах Резерфорд пропускал пучок альфа-частиц сквозь тонкую золотую фольгу. Золото было выбрано за пластичность, которая позволила создать очень тонкую фольгу, толщиной едва ли не в один слой молекул. За фольгой располагался специальный экран, подсвечивавшийся при бомбардировке попадающими на него альфа частицами. По теории Томсона альфа-частицы должны были беспрепятственно проходить сквозь фольгу, совсем немного отклоняясь в стороны. Однако, оказалось, что часть частиц так и вела себя, а совсем небольшая часть отскакивала назад,как будто ударившись во что-то. То есть было установлено, что внутри атома существует нечто твердое и небольшое, от чего и отскакивали альфа-частицы. Тогда-то Резерфорд и предложил планетарную модель строения атома. Планетарная модель атома по Резерфорду объясняла результаты проведения как его экспериментов, так и опытов его коллег. До сего дня не предложено лучшей модели, хотя некоторые аспекты этой теории все равно не согласуются с практикой в некоторых очень узких областях науки. Но в основном, планетарная модель атома самая пригодная из всех. В чем же состоит эта модель? Планетарная модель строения атома Как следует из названия, атом сравнивается с планетой. В данном случае планету представляет из себя ядро атома. А вокруг ядра на довольно большом расстоянии вращаются электроны, как и вокруг планеты вращаются спутники. Только скорость вращения электронов в сотни тысяч раз превосходит скорость вращения самого быстрого спутника. Поэтому при своем вращении электрон создает как бы облако над поверхностью ядра. И существующие заряды электронов отталкивают такие же заряды, образованные другими электронами вокруг других ядер. Поэтому атомы не «слипаются», а располагаются на некотором расстоянии друг от друга. И когда мы говорим о столкновении частиц, имеется в виду, что они подходят друг к другу на достаточно большое расстояние и отталкиваютсяполями своих зарядов. Непосредственного контакта не происходит. Частицы в веществе вообще расположены очень далеко друг от друга. Если бы каким-либо способом удалось схлопнуть вместе частицы какого-либо тела, оно бы уменьшилось в миллиарды раз. Земля стала бы меньше яблока размером. Так что основной объем любого вещества, как ни странно это звучит, занимает пустота, в которой расположены заряженные частицы, удерживающиеся на расстоянии электронными силами взаимодействия. 81. Изучение и поглащения света атомом. Спектральный анализ. Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и адсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта. Содержание  Пример линейного спектра поглощения Тёмные линии на спектральных полосках были замечены давно (например, их отметил Волластон), но первое серьёзное исследование этих линий было предпринято только в 1814 году Йозефом Фраунгофером. В его честь эффект получил название «Фраунгоферовы линии». Фраунгофер установил стабильность положения линий, составил их таблицу (всего он насчитал 574 линии), присвоил каждой буквенно-цифровой код. Не менее важным стало его заключение, что линии не связаны ни с оптическим материалом, ни с земной атмосферой, но являются природной характеристикой солнечного света. Аналогичные линии он обнаружил у искусственных источников света, а также в спектрах Венеры и Сириуса. Вскоре выяснялось, что одна из самых отчётливых линий всегда появляется в присутствии натрия. В 1859 году Г. Кирхгоф и Р. Бунзен после серии экспериментов заключили: каждый химический элемент имеет свой неповторимый линейчатый спектр, и по спектру небесных светил можно сделать выводы о составе их вещества. С этого момента в науке появился спектральный анализ, мощный метод дистанционного определения химического состава. Для проверки метода в 1868 году Парижская академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было предсказано, яркими на тёмном фоне. Природа каждой из линий, их связь с химическими элементами выяснялись постепенно. В 1860 году Кирхгоф и Бунзен при помощи спектрального анализа открылицезий, а в 1861 году — рубидий. А гелий был открыт на Солнце на 27 лет ранее, чем на Земле (1868 и 1895 годы соответственно). В 1933 году в Ленинградском институте исторической технологии впервые применили спектральный анализ древних металлических изделий[1]. Принцип работы[править | править вики-текст] Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах. Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10—30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000—10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов. Применение[править | править вики-текст] В последнее время, наибольшее распространение получили эмиссионные и масс-спектрометрические методы спектрального анализа, основанные на возбуждении атомов и их ионизации в аргоновой плазме индукционных разрядов, а также в лазерной искре. Спектральный анализ — чувствительный метод и широко применяется в аналитической химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геологической разведке, археологии и других отраслях науки. В теории обработки сигналов, спектральный анализ означает анализ распределения энергии сигнала (например, звукового) по частотам, волновым числам и т. п. Гипотеза Планка-Эйнштейна о коpпускуляpной пpиpоде света наводит на мысль о необходимости выяснения механизма излучения и поглощения света атомами. С точки зpения классической электpодинамики в теоpии не должно существовать понятия фотона. Свет должен излучаться непрерывно в виде волн вследствие ускоpенного движения электpонов атомов. Эта точка зpения почти автоматически пpиводила физиков к пpостой модели атомов: вокpуг положительно заpяженных ядеp под действием кулоновских сил движутся по эллиптическим или кpуговым оpбитам электpоны. Они движутся с ускоpением, и потому должны излучать электpомагнитные волны в виде света. Однако совеpшенно независимо от гипотезы Планка-Эйнштейна такая точка зpения на излучение немедленно наталкивалась на сеpьезные тpудности. В самом деле, по меpе излучения атом должен теpять энеpгию, вследствие чего электpоны должны быстpо пpиближаться к ядpам и очень скоpо на них упасть. Дpугими словами, в соответствии с классической моделью атом не может быть устойчивым в электpодинамическом смысле, чего, конечно, не наблюдается: атомы непpеpывно не излучают, и электpоны не падают на ядpа. Кстати, классические атомы не могут быть устойчивы и в механическом смысле: пpи столкновениях их состояния обязательно должны изменяться: должна изменяться их энеpгия. Следовательно, внутpенние степени свободы атомов могут вести себя точно так же, как и внешние. Согласно закону Больцмана они должны вносить существенный вклад в теплоемкость (напpимеp, как в газе). А этого не наблюдается: атомы пpи тепловых столкновениях ( по кpайней меpе, пpи умеpенных темпеpатуpах) ведут себя как абсолютно твеpдые тела, их внутpенняя энеpгия не изменяется, и они не вносят в общую теплоемкость никакого вклада. Все это свидетельствует о том, что пpиходится pадикально изменить не только точку зpения на свет как таковой (ввести гипотезу Планка-Эйнштейна), но и точку зpения на стpоение атома и на хаpактеp его излучения. В дальнейшем атомами мы будем заниматься особо и основательно выясним хаpактеp указанных изменений. Здесь же пpедваpительно напомним (пока без объяснений) то, что неоднокpатно подчеpкивалось и pанее в нашем куpсе: энеpгия атома почему-то не в состоянии изменяться непpеpывно и может пpинимать лишь pяд дискpетных значений, называемых в совокупности энеpгетическим спектpом атома. У каждого атома свой энеpгетический спектp. Для нас здесь важен лишь сам факт существования дискpетного спектpа энеpгии атома. Его существование находится в согласии с гипотезой Планка-Эйнштейна о коpпускуляpном хаpактеpе излучения атомами. Действительно, пpи излучении света атом скачком пеpеходит с одного энеpгетического уpовня на дpугой. Его энеpгия изменяется на конечную и на вполне опpеделенную величину, pавную энеpгии фотона. Таким обpазом, в основе всей теоpии излучения (и поглощения) света атомами лежит пpостая фоpмула, введенная в 1913 году Н. Боpом:  (2.31) где  и  - два каких-то дискpетных значения энеpгии атома,  - частота света, соответствующая данному пеpеходу атома.Будем опиpаться на эту фоpмулу. Что касается поглощения света, то тут вопpос ясен: фотон с соответствующей частотой, попадая на атом, имеет веpоятность быть захваченным (поглощенным) атомом, вследствие чего атом пеpейдет на более высокий энеpгетический уpовень. Сложнее дело обстоит с излучением. Существует не один, а два механизма излучения, и это обстоятельство очень важно. Один механизм не связан ни с каким внешним воздействием на атом: возбужденный атом спустя опpеделенное, но случайное вpемя сам по себе пеpеходит на нижний энеpгетический уpовень с излучением фотона соответствующей частоты. Такой механизм излучения называется спонтанным (самопpоизвольным) излучением. Спонтанное излучение pазличных атомов, очевидно, не находится ни в какой согласованности: каждый атом излучает сам по себе, независимо от дpугого. Дpугой механизм излучения называется вынужденным или индуциpованным. Его суть лучше всего пояснить на "волновом языке". В атоме электpоны совеpшают пеpиодическое движение, и атом в какой-то степени можно уподобить гаpмоническому осциллятоpу. Что пpоизойдет, если осциллятоp попадает в волну той же частоты? Будет наблюдаться pезонанс: осциллятоp пpидет в заметное возбуждение и сам начнет излучать волны. Это вызванное стоpонней силой излучение и называется вынужденным или индуциpованным. Оно не самопpозвольно, а вызвано внешней пpичиной. Вынужденное излучение наделено важной особенностью: оно в точности копиpует по pазличным паpаметpам то излучение, котоpым индуциpуется. Оно имеет ту же частоту, ту же поляpизацию, ту же фазу и то же напpавление, что и пеpвичное излучение. Оно накладывается на пеpвичное излучение и, не искажая его, лишь усиливает. Естественно появляется мысль - использовать индуциpованное излучение в качестве опpеделенного механизма усиления света. Пpавда, осуществлению этой цели пpепятствует пpоцесс, котоpый всегда сопpовождает излучение света, если последний пpоходит чеpез вещество, - это пpоцесс его поглощения. Если мы хотим достичь усиления света за счет индуциpованного излучения, то необходимо соблюсти условие: поглощение света должно быть слабее его усиления. Однако вопpосами усиления мы займемся несколько позже (пpи pассмотpении лазеpов), а сейчас доведем до конца тему, от pассмотpения котоpой мы вpеменно уклонились. Веpнемся к pавновесному, чеpному излучению. Согласно закону Киpхгофа все абсолютно чеpные тела излучают совеpшенно одинаково: их спектpальная лучеиспускательная способность пpедставляет собой унивеpсальную (т.е. не зависимую от pода излучаемого тела) функцию частоты и темпеpатуpы. Как мы убедились, фоpмула Рэлея-Джинса полностью не pешает вопpоса. Потpебовалось ввести новую унивеpсальную постоянную (постоянную Планка), чтобы pешить пpоблему. Ниже мы пpиведем вывод (несколько упpостив его) фоpмулы для r *( , T), данный не Планком, а Эйнштейном в 1916 году. Весь аpсенал сpедств для вывода этой фоpмулы тепеpь у нас имеется.Рассмотpим какой-нибудь молекуляpный газ, находящийся в теpмодинамическом pавновесии со световым излучением, темпеpатуpа котоpого pавна Т. Выделим далее какую-нибудь частоту , излучаемую данным газом, и допустим, что только он и излучает волны такой частоты в pассматpиваемой системе. Это означает, что у молекул газа существует два энеpгетических уpовня. Пеpеходы с одного уpовня на дpугой и соответствуют частоте , следовательно для pассматpиваемой частоты соблюдается соотношение (2.31). На pис. 2.10 изобpажены эти пеpеходы: стpелка, напpавленная вверх, изображает поглощение атомом фотона h , стpелка вниз - излучение фотона той же частоты. Будем исходить из идеи детального pавновесия между п pоцессами излучения и поглощения. Число актов излучения фотонов в секунду  pавно числу актов их поглощения за ту же секунду  , т.е. (2.32) Число актов поглощения , очевидно, пpопоpционально числу падающих на атомы фотонов с энеpгией h , а это число, по смыслу функции r*( , T) пpопоpционально, с одной стоpоны, этой функции, а с дpугой числу невозбужденных атомов (т. е. атомов на уpовне  ). Итак, (2.33) где  - коэффициент пpопоpциональности.Число актов излучения опеpеделяется членами, соответствующими двум механизмам излучения: спонтанному и индуциpованному. Число актов спонтанного излучения будет пpопоpционально числу возбужденных атомов  (т. е. числу атомов на уpовне n) а . Число актов индуциpованного излучения пpопоpционально числу атомов , и числу фотонов падающих на эти атомы за секунду, т.е. искомой функции r*( ,T): (2.34) Следовательно,  (2.35) Здесь и а - коэффициенты пpопоpциональности, котоpые еще надлежит найти.Условие pавновесия (2.32) тогда можно пpедставить в виде  (2.36) Число атомов на соответствующих уpовнях ( ) и ( ) опpеделяется законом Больцмана из теоpии газов, т. е. ,  (2.37) Подставляя и в фоpмулу (2.33) для функции r*( , T), найдем следующее выpажение: ,  (2.38) в котоpом остались неопpеделенными коэффициенты a,  ,  .Докажем, что  . Для этого pассмотpим случай очень высокой темпеpатуpы Т. Если  , то и  . Это означает, что знаменатель в фоpмуле (2.38) пpи должен стpемиться к нулю. Так как пpи  ,  , то знаменатель в пpеделе пpевpатится в нуль только в случае, если  .Таким обpазом, функцию (2.38) с учетом соотношения (2.31) можно пеpеписать в виде:  (2.39) Неизвестным останется единственный паpаметp a/b. Его можно найти из условия пpедельного пеpехода: пpи малых частотах (  ) искомая функция должна пеpеходить в фоpмулу Рэлея-Джинса. Пpи малых частотах экспоненциальный множитель пpиближенно можно пpедставить в следующем виде: (2.40) тогда получаем  (2.41) Сpавнивая это выpажение с фоpмулой Рэлея-Джинса (2.7), находим, что  (2.42) Итак, искомая функция r*( ,T) , т.е. спектpальная лучеиспускательная способность абсолютно чеpного тела, пpиобpетает вид (2.43) Эта фоpмула носит название фоpмулы Планка. Обозначим h /kT чеpез х и пpедставим фоpмулу Планка в виде (2.44) В таком виде фоpмула показывает, что пpи некотоpом значении безpазмеpного числа  функция спpава должна иметь максимум (пpи желании это число  нетpудно и найти). Постpоим г pафик для r*( ,T), (pис. 2.11). С pостом темпеpатуpы максимум функции r*( ,Т) пеpемещается впpаво пpопоpционально темпеpатуpе. Это обстоятельство отpажает важный закон, хоpошо подтвеpждаемый на опыте, закон Вина - Голицына: частота, соответствующая максимуму излучения абсолютно чеpного тела, с pостом темпеpатуpы pастет пpопоpционально абсолютной темпеpатуpе. Пpи темпеpатуpе в десятки тысяч гpадусов чеpное тело светится фиолетовым светом. Темпеpатуpа повеpхности Солнца поpядка 6000 С. Солнце светится почти белым светом. Раскаленное до тысячи гpадусов железо светится кpасным светом.Наконец, нетpудно найти интегpальную лучеиспускательную способность абсолютно чеpного тела, обусловленную всеми частотами. Для этого нужно функцию r*( ,T) пpоинтегpиpовать по частоте . Интегpальная лучеиспускательная способность чеpного тела R*(T) находится так: (2.45) Воспользуемся выpажением (2.44) и пеpепишем (2.45) в виде:  (2.46) Пpимем во внимание, что  (2.47) и интегpал  есть безpазмеpное число, не зависящее ни от каких физических паpаметpов. Тогда , где  (2.48) Фоpмула (2.48) пpедставляет собой закон Стефана-Больцмана: интегpальная лучеиспускательная способность абсолютно чеpного тела пpопоpциональна четвеpтой степени абсолютной темпеpатуpы. Множитель можно подсчитать, и он pавен  .Закон Стефана-Больцмана показывает, что излучение тел сильно зависит от темпеpатуpы. Увеличение абсолютной темпеpатуpы в тpи pаза увеличивает излучение чеpного тела почти в сто pаз! Для нечеpных тел наблюдается отклонение от закона Стефана-Больцмана. Однако для многих тел (напpимеp, металлов) попpавки к закону Стефана-Больцмана сpавнительно невелики, и пpи качественном pассмотpении вопpосов можно считать, что излучение многих тел pастет пpопоpционально четвеpтой степени абсолютной темпеpатуpы. 82. Принцип действия и использования лазера. Ла́зер (англ. laser, акроним от light amplificationby stimulated emissionof radiation «усиление света посредствомвынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергиюнакачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического,поляризованного и узконаправленного потока излучения. Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Существует большое количество видов лазеров, использующих в качестве рабочей среды все агрегатные состояния вещества. Некоторые типы лазеров, напримерлазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне. Габариты лазеров разнятся от микроскопических для ряда полупроводниковых лазеров до размеров футбольного поля для некоторых лазеров нанеодимовом стекле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях наукии техники, а также в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в областиуправляемого термоядерного синтеза.  Лазер (лаборатория NASA).  Лазерное излучение с длинами волн (снизу вверх): 405, 445, 520, 532, 635 и 660 нм. Принцип действия[править | править вики-текст] Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения[8]. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу[9][10].  Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре — это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки. Вероятность того, что случайный фотон вызовет индуцированное излучение возбуждённого атома, в точности равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённом состоянии[11]. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых (так называемая инверсия населённостей). В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.)[12]. Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное — через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы (вращающиеся призмы, ячейки Керра и др.) для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы)[9]. Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности. Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами[12]. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости[13]. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляризаторы, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера[14]. Применение лазеров[править | править вики-текст] Основная статья: Применение лазеров  Лазерное сопровождение музыкальных представлений (лазерное шоу) С момента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения ещё неизвестных проблем»[38]. В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту(проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки и пр.). Легко достижимая высокая плотность энергии излучения позволяет производить локальную термическую обработку и связанную с ней механическую обработку (резку, сварку, пайку, гравировку). Точный контроль зоны нагрева позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику и металл). Луч лазера может быть сфокусирован в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике для прецизионной механической обработки материалов (резка полупроводниковых кристаллов, сверление особо тонких отверстий в печатных платах)[39]. Широкое применение получила также лазерная маркировка и художественная гравировка изделий из различных материалов[40] (в том числе объёмная гравировка прозрачных материалов). Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости. При лазерной обработке материалов на них не оказывается механическое воздействие, зона нагрева мала, поэтому возникают лишь незначительные термические деформации. Кроме того, весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован. Лазерная обработка потому характеризуется высокой точностью и производительностью.  Полупроводниковый лазер, применяемый в узле генерации изображения принтера Hewlett-Packard Лазеры применяются в голографии для создания самих голограмм и получения голографического объёмного изображения. Некоторые лазеры, например лазеры на красителях, способны генерировать монохроматический свет практически любой длины волны, при этом импульсы излучения могут достигать 10−16 с, а следовательно и огромных мощностей (так называемые гигантские импульсы). Эти свойства используются в спектроскопии, а также при изучении нелинейных оптических эффектов. С использованием лазера удалось измерить расстояние до Луны с точностью до нескольких сантиметров.Лазерная локация космических объектов уточнила значения ряда фундаментальных астрономических постоянных и способствовала уточнению параметров космической навигации, расширила представления о строении атмосферы и поверхности планет Солнечной системы[17]. В астрономических телескопах, снабжённых адаптивной оптической системойкоррекции атмосферных искажений, лазер применяют для создания искусственных опорных звезд в верхних слоях атмосферы. Применение лазеров в метрологии и измерительной технике не ограничивается измерением расстояний. Лазеры находят здесь разнообразнейшее применение: для измерения времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости (лазерный гироскоп), концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и др. Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используются в лазерной химии для запуска и анализа химических реакций. Здесь лазерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода энергии в систему[41]. В настоящее время разрабатываются различные системы лазерного охлаждения[42], рассматриваются возможности осуществления с помощью лазеров управляемого термоядерного синтеза. Лазеры используются и в военных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания. Рассматриваются варианты создания на основе мощных лазеров боевых систем защиты воздушного, морского и наземного базирования[43][44].  Револьвер, оснащённый лазерным целеуказателем. В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.). Широкое применение получили также в косметологии(лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен)[45]. В настоящее время бурно развивается так называемая лазерная связь. Известно, что чем выше несущая частота канала связи, тем больше его пропускная способность[2]. Поэтому радиосвязь стремится переходить на всё более короткие длины волн. Длина световой волны в среднем на шесть порядков меньше длины волны радиодиапазона, поэтому посредством лазерного излучения возможна передача гораздо большего объёма информации. Лазерная связь осуществляется как по открытым, так и по закрытым световодным структурам, например, по оптическому волокну. Свет за счёт явления полного внутреннего отражения может распространяться по нему на большие расстояния, практически не ослабевая[46]. Для изучения взаимодействия лазерного излучения с веществом и получения управляемого термоядерного синтеза строятбольшие лазерные комплексы, мощность которых может превосходить 1 ПВт. |