ФИЗИКА Пraktikum. Учебнометодическое пособие для студентов медицинских вузов 2018 Вводное занятие

• Название: Учебнометодическое пособие для студентов медицинских вузов 2018 Вводное занятие
• Дата: 01.05.2022
• Размер: 4.99 Mb.
• Имя файла: ФИЗИКА Пraktikum.docx
• Тип: Учебно-методическое пособие; #507046
• страница: 9 из 24

7. Контрольные вопросы к работе № 54.

1. Электрография, ее виды. Электрокардиография.

2. Электрический диполь, токовый диполь как модели.

3. Интегральный электрический вектор сердца.

4. Отведения. Треугольник Эйнтховена.

5. Взаимное соответствие зубцов на ЭКГ и участков сердца.

6. Электрокардиограф: назначение, принцип действия, устройство.


Лабораторная работа №55.

Определение характеристик лакзерного излучения.
Цели работы:

Ознакомление с лазерами и свойствами их излучения.

Определение длины волны и других характеристик излучения лазера с помощью дифракционной решетки.
1. Кванты. Фотоны.
Лазеры – оптические квантовые генераторы – приборы, преобразующие энергию электрического тока в энергию светового излучения с особыми свойствами.

Прежде всего, уточним смысл некоторых терминов первого абзаца.

Генератор (от лат. generator – производитель) – это устройство, преобразующее один вид энергии в другой. В лазерах электроэнергия преобразуется в энергию света или ближних к нему диапазонов электромагнитных излучений.

Квант (от лат. quantum – сколько) – неделимая порция энергии электромагнитного излучения.

Согласно Максу Планку (теория теплового излучения; 1900 год), излучение и поглощение энергии электромагнитных волн происходит не любыми, а строго определенными порциями энергии – квантами. Энергия кванта: Е = hν, где ν – частота колебаний в электромагнитной волне;

h – постоянная Планка. Обратите внимание: здесь обсуждается квант как количественная мера одного из свойств электромагнитной волны – ее энергии.

В 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул гипотезу: электромагнитную волну с частотой ν можно рассматривать как поток квантов с энергией hν. В этой гипотезе квант – это материальный объект, обладатель энергии hν. Спустя некоторое время такие объекты получили название «фотоны».

Фотон – элементарная частица, квант электромагнитного излучения, переносчик электромагнитного взаимодействия. Но электрического заряда фотон не имеет.

Фотон – это частица, имеющая массу покоя, равную нулю. Это означает, что состояние покоя – невозможное для него состояние; он существует только в движении, и скорость этого движения – величина постоянная, она одинакова во всех системах отсчета и равна скорости света в вакууме: с = 3·10⁸ м/с. Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения: Е = hν. Зная установленную Эйнштейном связь энергии и массы в виде знаменитой формулы Е = mc², можно вычислить массу фотона: m = E / c² = hν / c². Это значение массы фотона будет определять результаты его столкновения с электроном: например, при комптоновском рассеянии.

Утверждают, что фотон – самая распространенная частица во Вселенной: на один нуклон приходится не менее 20 млрд фотонов.

Фотон не имеет размеров и внутренней структуры.
Первоначально понятие «квант» было воспринято с большим недоверием всеми, включая и Макса Планка, автора этой идеи, долго пытавшегося сохранить положительные результаты своей теории, выкинув из нее идею квантов. Но без квантов теория рассыпалась.

Между тем, дискретность (квантованность) многих важных характеристик мироздания была известна и до 1900 года. Вот примеры: дискретны массы атомов и молекул разного вида, дискретен электрический заряд. Парадоксальными казались проявления дискретности в волновых процессах, но к этим экспериментально подтвержденным свойствам реального мира предстояло привыкнуть. Некоторые привыкают до сих пор…

Можно вспомнить и о том, что строительство из кирпича – давняя строительная технология. А кирпич – чем он не квант?

Можно вспомнить и о развитии цифровых технологий: шаг квантования любой аналоговой величины - чем он не кирпич?

2. Свойства лазерного излучения.
Особые свойства лазерного излучения легко обсуждать, рассматривая поток излучения как поток квантов. Рабочие процессы в лазерах будут обсуждаться в последующих разделах. Здесь же будет обсуждаться их результат: кванты лазерного излучения одинаковы по всем параметрам
1. Лазеры – источники монохроматичного излучения (в переводе с греческого, монохроматичность – это одноцветность). За цвет в нашем восприятии отвечает частота электромагнитного излучения. Одноцветность означает постоянство частоты: ν = const. Одинаковость квантов по частоте означает, что кванты лазерного излучения одинаковы по энергии.

По объективным причинам, идеальная монохроматичность недостижима, и вместо фиксированного значения частоты ν кванты имеют некоторый разброс по частоте в пределах очень узкого интервала Δν с центром – значением ν. Количественной мерой монохроматичности можно считать отношение Δν / ν. Для лазеров это отношение по порядку величины равно

10^-14. Это означает, что разброс по частоте меньше, чем ее среднее значение, в 10¹⁴ раз (в 10 триллионов раз).

2. Лазер – источник когерентного излучения. Это означает, что все кванты излучения, покидающие лазер в любой момент времени, практически одинаковы не только по частоте, но и по фазе электромагнитных колебаний в них. Во всех таких квантах колебания идут совершенно синхронно: синхронны переходы через максимум, через нуль, и т.д.

При наложении друг на друга двух или нескольких когерентных волн происходит явление интерференции: устойчивое во времени увеличение или уменьшение амплитуды результирующих колебаний. Суммарная энергия интерферирующих волн остается неизменной, но перераспределяется: там, где накладываются колебания, одинаковые или близкие по фазе, происходит их взаимное усиление; при больших отличиях по фазе амплитуда результирующих колебаний минимальна и может оказаться равной нулю.
3. Лазер – источник поляризованного излучения. Во всех квантах лазерного излучения электрические векторы Е электромагнитных колебаний, параллельны друг другу. Аналогично, параллельны друг другу и векторы магнитной индукции В.

Напомним, что электромагнитные волны – это поперечные волны: векторы Е и В непрерывно меняются по модулю, оставаясь перпендикулярными направлению распространения квантов (то есть совершают колебания поперек луча). При этом векторы Е и В всегда взаимно перпендикулярны.
4. Излучение лазера имеет малую угловую расходимость. Она составляет величину порядка нескольких угловых секунд (угловая секунда – это 1/3600 углового градуса).

Малая расходимость лучей лазера – это следствие двух причин. Во-первых, имеет место согласованность направлений квантов индуцированного излучения (подробнее - см. раздел 3). Во-вторых, оптический резонатор лазера – это устройство, способствующее генерации потоков излучения, параллельных оси лазера (см. раздел 4).
5. Лазер может быть источником излучения большой мощности. Разумеется, развитие лазерной техники начиналось с появления образцов малой мощности: заработал – это уже достижение…

В настоящее время производятся и широко применяются, в том числе и в медицине, лазеры как низкой, так и высокой мощности. Даже лазеры непрерывного действия могут обеспечить мощность излучения до 10⁵ Вт (до 100 кВт). Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Например, если неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е=75 Дж в импульсе длительностью t = 3·10^-12 с, то мощность излучения в импульсе составляет N = Е / t = 75 / 3·10^-12 = 2,5·10¹³ Вт (25 млрд кВт), а это – мощность средней гидроэлектростанции.

Ценная особенность коротких импульсов состоит в том, что их энергия достается очень малому количеству вещества поглотителя (например, биологической ткани). Лазерные импульсы при этом особо хороши: благодаря высокой монохроматичности, излучение лазера может быть сфокусировано почти в точку: до размеров светового пятна диаметром порядка длины волны излучения (десятые доли микрометра).

Если энергия светового импульса достается ограниченному числу частиц, то малая порция вещества будет не просто разрушена – она может сгореть и испариться, из чего бы эта преграда ни была изготовлена. Благодаря скоротечности процессов, смежные слои вещества не успеют даже подогреться, поскольку процессы теплопроводности, диффузии и т.п. просто не успевают развиться.

6. Лазер – источник излучения высокой интенсивности. В импульсных лазерах она особенно высока, и может достигать значений I=10¹⁴-10¹⁶ Вт/см². Для сравнения: средняя интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности составляет I = 0,034 Вт/см² = 340 Вт/м².

Интенсивность – это отношение мощности излучения к площади поперечного сечения потока излучения. При неизменной мощности лазера, интенсивность можно регулировать фокусировкой или расфокусировкой луча.
3. Спонтанное и индуцированное излучение.
Атом, получивший в результате какого-то внешнего воздействия дополнительную энергию ΔЕ, переходит с основного энергетического уровня Е₁ на возбужденный уровень Е₂. В реальности, один из электронов атома, получив энергию ΔЕ, перешел на более отдаленную от ядра орбиту.

Нахождение атома в возбужденном состоянии длится, в среднем, порядка 10^-8 секунды, после чего происходит спонтанный (самопроизвольный) переход атома из возбужденного состояния в более устойчивое, основное состояние. При этом энергия ΔЕ, ставшая избыточной, сбрасывается в виде кванта электромагнитного излучения – фотона с энергией ΔЕ = hν. Направление движения этого фотона непредсказуемо, как и момент его возникновения.

Спонтанное излучение – это излучение в отсутствие внешних причин.

В 1917 году Альберт Эйнштейн теоретически обосновал возможность не только спонтанного, но и вынужденного (индуцированного) излучения. Термин «индуцированное излучение» происходит от латинского inductio – побуждение.

На рис. 1 представлены схематически стадии единичного акта возникновения индуцированного излучения.



Рис. 1. Стадии возникновения индуцированного излучения.

На левой из трех схем показан возбужденный атом, находящийся на энергетическом уровне Е₂. Этот атом готов к тому, чтобы сбросить излишки энергии ΔЕ в виде кванта hν. Это могло бы и произойти спонтанно, но это не успело произойти: слева на атом накатил сгусток электромагнитного излучения, квант-провокатор точно такой же энергии hν. и спровоцировал, влиянием своего электромагнитного поля, индуцированное излучение ожидаемого нового кванта hν.

На второй схеме рис. 1 представлен квант-провокатор «на месте преступления», и возбужденный атом, переходящий на основной уровень Е₁. На третьей схеме: атом, бывший возбужденным, уже не возбужден, и если представится возможность, готов возбудиться снова. А слева направо уходят два кванта: квант-провокатор и новенький квант индуцированного излучения. Их можно называть первичным и вторичным.

Первичный квант ничего не получил от возбужденного атома и ничего ему не отдал. Влияние первичного кванта на возбужденный, готовый к излучению атом можно сравнить с влиянием нажатия курка на заряженное ружье.

Первичный и вторичный кванты одинаковы по следующим свойствам:

1. Они имеют одинаковую частоту и энергию, то есть они монохроматичны;

2. Они когерентны, то есть вторичный квант воспроизвел фазу первичного;

3. Они движутся в строго одинаковом направлении с одинаковой скоростью (по-другому они не умеют).

4. Они имеют одинаковую поляризацию.

Если на пути первичного и вторичного квантов попадутся возбужденные атомы с такой же энергией Е₂, то они спровоцируют появление двух новых индуцированных квантов; итого их станет четыре.

В среде, имеющей высокую концентрацию возбужденных атомов, после очередного удвоения, численность индуцированных квантов станет 8, затем – 16; 32, и т.д. Возможность возникновения и развития фотонных лавин обосновали советские физики В. Фабрикант и Ф. Бутаева (1940 год). В такой среде вместо ослабления будет происходить усиление света. Происходит, как говорится, light amplification, усиление света.

Название «лазер» - аббревиатура от английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света посредством стимулированного (т.е. индуцированного) излучения.
4. Принципиальная схема и принцип работы лазера.

Лазеры различных типов, при всем их разнообразии, сходны по принципу действия. Элементы, свойственные любому лазеру, приведены на схеме рис. 2.


Рис. 2. Принципиальная схема лазера.

Классификация лазеров по типу активного вещества:

газовые,

твердотельные,

полупроводниковые,

жидкостные,

эксимерные,

на парах металлов.

Накачка – это процесс передачи энергии от внешнего источника к атомам активного вещества. Чаще всего применяются:

- электрическая накачка – пропусканием электрического тока непосредственно через активное вещество или с помощью электрических разрядов различного типа;

- оптическая накачка – с помощью мощных источников света.

Полученная атомами энергия переводит их в возбужденное состояние. Для работы лазера необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа невозбужденных. Среда, находящаяся в таком состоянии, называется инверсно населенной; подробности – в разделе 5.

Оптический резонатор – это система из двух зеркал. На схеме рис. 2 показаны плоские зеркала, но применяются и сферические. Одно из зеркал, левое на схеме, - «глухое», с коэффициентом отражения, равным единице. Второе – полупрозрачное – имеет коэффициент отражения несколько меньше единицы.

Резонатор обеспечивает развитие и многократное усиление фотонных лавин, движущихся строго вдоль оси резонатора. Такие лавины возникают в инверсно населенной среде от спонтанных фотонов, случайным образом оказавшиеся направленными вдоль оси. Первичные кванты, имеющие направление даже под небольшим углом к оси, могут создать лавины, которые прекратят существование после нескольких отражений, отразившись куда-то в корпус лазера.

Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало и является готовой продукцией лазера.
5. Инверсная населенность энергетических уровней.
Принцип минимума потенциальной энергии:

Любая замкнутая система стремится перейти в такое состояние, в котором ее потенциальная энергия минимальна. Такое состояние является энергетически выгодным и наиболее устойчивым.

В соответствии с этим принципом, количество атомов активного вещества лазера, находящихся на нижнем энергетическом уровне, всегда больше, чем количество возбужденных атомов. При отключенной системе накачки населенность нижнего энергетического уровня максимальна, а наверху, на возбужденном уровне, атомов вообще нет или их крайне мало.

При включении накачки положение начинает меняться: часть атомов переходит в категорию «возбужденные». Чем больше мощность накачки, тем больше становится населенность верхнего уровня и меньше – нижнего.

Чем больше становится возбужденных атомов, тем больше вероятность переходов обратного направления, за счет спонтанного и индуцированного излучения. Но фотонные лавины возникать еще не могут.

Мы обсуждаем двухуровневую систему накачки: система накачивает атомы энергией, переводя их в возбужденное состояние, а они, спонтанно или через индуцированное излучение, соскакивают обратно, вниз.

Теория и практика показали, что максимум достижимого при работе двухуровневой системы накачки – динамическое равновесие при достижении численного равенства населенностей верхнего и нижнего энергетических уровней.

Но для работы лазера этого мало! «Наверху» атомов должно быть больше, чем «внизу».

Инверсная населенность - состояние активного вещества, при котором атомов, находящихся на возбужденном энергетическом уровне, больше, чем на нижнем, основном уровне.

Преодолеть ограниченные возможности двухуровневой системы накачки удалось с помощью системы трехуровневой. Появились и системы, имеющие большее число уровней.

Естественной для атомов является длительность их пребывания в возбужденном состоянии порядка τ₁ = 10^-8с. Преодолеть такую быстроту возврата возбужденных атомов в устойчивое основное состояние удалось благодаря тому, что в квантовых системах могут существовать метастабильные состояния, с временем жизни τ_, много большим, чем τ₁ = 10^-8с. Метастабильное состояние (от греч. μετα «через» и лат. stabilis «устойчивый») – состояние квазиустойчивого равновесия, в котором система может находиться длительное время.

Длительность метастабильного состояния возбужденных атомов может достигать ₂ = 10^-3с. Обратите внимание: τ₂ > τ₁ в 100000 раз; и за такое время вполне удается создавать инверсную населенность, «перехитрив» принцип минимума потенциальной энергии. На рис. 3 представлена схема энергетических уровней трехуровневой системы накачки.


Рис. 3 Схема трехуровневой системы накачки.
Трехуровневая система накачки переводит атомы активного вещества на уровни Е₂ и Е₃. При этом активное вещество имеет в окрестностях уровня Е₃ множество близко расположенных энергетических уровней с коротким временем жизни возбужденного состояния τ₃. На схеме они не показаны; Е₃ – среднее значение их энергии.

Кванты, близкие к Е₃, имеют повышенную вероятность быть поглощенными: любой квант энергии системы накачки на каком-нибудь из этих многих уровней пригодится, будет поглощен. Суммарный эффект: система накачки эффективно работает на повышение населенности энергетического уровня Е₃ благодаря тому, что он «широк по вертикали» за счет семейства близких уровней.

На схеме рис. 3 наклонной стрелкой показан переход с уровня Е₃ на уровень Е₂, что символизирует безизлучательный переход возбужденных атомов на уровень Е₂, благо обстановка позволяет: вместо большого перепада Е₃ – Е₂ имеется нечто в роде лесенки близких уровней.

Но дальше сползать некуда: Е₂ – это метастабильный уровень, на котором успеет возникнуть и будет поддерживаться инверсная населенность.

Вклад «узкого» уровня Е₂ в создание своей же инверсной населенности есть, но он – гораздо скромнее.