Реферати українською » Физика » Квантові властивості макроскопічних об'єктів


Реферат Квантові властивості макроскопічних об'єктів

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Квантова електроніка.

Квантова електроніка – область електроніки, що охоплює вивчення й розробку методів і коштів посилення і генерації електромагнітних коливань з урахуванням ефекту вимушеного випромінювання атомів, молекул i твердих тіл. Часто під терміном «Квантова електроніка» розуміють сукупність квантових електронних приладів та пристроїв — молекулярних генераторів і квантових підсилювачів, оптичних квантових генераторів (лазерів) та інших., — у яких використовується вимушене випромінювання. До Квантовой електроніці відносять також питання нелінійного взаємодії потужного лазерного випромінювання з речовиною й застосування їх такої взаємодії в пристроях перетворення частоти лазерного випромінювання. Найбільш великим прикладним розділом квантової електроніки є лазерна техніка, що з створенням лазерів різних типів, дослідженням властивостей лазерного вивчення та її використанням на вирішення різних практичних завдань.

Фізичні основи КЭ.

На відміну, наприклад, від вакуумної електроніки, використовує для перетворення електромагнітної енергії потоки вільних електронів, в КЭ мають справу зі зв'язаними електронами, входять до складу атомних систем: атомів, молекул, кристалів. Відповідно до законів квантової механіки, електрони в атомі і, отже, атомна система загалом можуть бути лише у певних енергетичних станах, характеризуемых дискретним поруч значень енергії 0, 1, 2, ... , званих енергетичними рівнями. Зміна внутрішньої енергії атомної системи супроводжується квантовим переходом електрона з однієї рівня в інший. У цьому система випромінює чи поглинає порцію електромагнітної енергії — квант — із частотою mn і енергією hmn= m - n , де h – стала Планка, m і n - кінцевий і початковий енергетичні рівні. Випромінення квантів (відповідне переходами електронів з верхніх енергетичних рівнів на нижні) може статися як спонтанно — за відсутності зовнішнього поля (спонтанне випромінювання), і вимушено — у присутності поля (вимушене випромінювання), поглинання ж квантів (відповідні переходами з нижніх рівнів на верхні) завжди є процесом вимушеним. Істотно, у результаті змушених излучат. переходів первинна электромагнитная хвиля посилюється рахунок енергії кванта вимушеного випромінювання, тотожних цієї первинної вільний за частотою, фазі, напрямку поширення і характерові поляризації. Саме ця особливість вимушеного випромінювання має основне значення в КЭ, дозволяючи використовувати таке випромінювання посилення і генерації електромагнітних хвиль. Когерентное посилення електромагнітної хвилі можна тільки у разі, якщо кількість порушених електронів (населеність вищих енергетичних рівнів) перевищує невозбужденных (населённость нижчих рівнів). У речовині, котрий у стані термодинамічної рівновагу, ця умова не виконується: відповідно до Больцмана розподілом населеність верхніх енергетичних рівнів завжди менш як нижніх і, отже, поглинання переважає над вимушеним випромінюванням, у результаті через речовина первинна хвиля послаблюється. Щоб речовина посилювало распространяющуюся у ньому електромагнітну хвилю, необхідно перевести їх у порушена стан, у якому хоча для двох рівнів населеність верхнього виявилася вищою , ніж нижнього. Такий стан називається становищем із інверсією населённости в речовині і є предположенный сучасними вченими Н.Г. Басовым й О. М. Прохоровым в 1955 «Метод трьох рівнів». Сутність цього у тому, що електрони у енергетичному спектрі яких є 3 енергетичних рівня 1, 2, 3, перетворюються на порушена стан під впливом потужного допоміжного випромінювання — накачування. При достатньої інтенсивності накачування відбувається перехід електронів з рівня 1 на 3, до з так званого насичення, коли населённость цих рівнів стає однаковою. У цьому одній пари рівнів 1, 2 чи 2, 3 матиме місце інверсія населённостей. Є й інші методи створення інверсії населённости: сортування молекул в молекулярних і атомних пучках в неоднорідному електричному чи магнітному полі; инжекция нерівноважних носіїв заряду в электронно-дырочный перехід; здійснення неупругих зіткнення атомів в суміші газів; хімічне порушення та інші.

Генерація електромагнітних хвиль в приладах КЭ здійснюється з допомогою активної середовища, помещённой в резонатор, зокрема на лазерів — оптичних резонаторів, з якого реалізується необхідна для генерації позитивний зворотний зв'язок. У активної середовищі неминуче відбуваються спонтанні переходи електронів з верхніх енергетичних рівнів на нижні, тобто. відбувається випромінювання квантів. Якщо резонатор настроєна на щось частоту цього випромінювання, воно, багаторазово позначаючись від стінок резонатора, встигає викликати індуковане випромінювання ще кількох частинок, які, своєю чергою, впливаючи активне середу, викликає нові акти індукованого випромінювання. Через війну власне спонтанне випромінювання активної середовища посилюється з допомогою змушених переходів. У цьому, проте, енергія випромінювання в резонаторе неспроможна наростати безмежно: кожен акт випромінювання супроводжується переходом частки більш низький енергетичний рівень, що зумовлює вирівнюванню населенностей і, отже, до рівності поглинання і випромінювання (ефект насичення).

Історична довідка.

КЭ сформувалась і розвивалася, як самостійна область науку й техніки у вотрой половині сучасності. Історія КЭ тісно пов'язана з радиоспектроскопией, досліджуючи властивості речовини з допомогою виборчого (резонансного) поглинання радіохвиль НВЧ діапазону. Саме радиоспектроскопии зародилася ідея у тому, що шляхом створення інверсії населённостей енергетичних рівнів серед можна домогтися посилення радіохвиль. Якщо ж якась система посилює радіовипромінювання, то, при відповідної зворотний зв'язок вони можуть і генерувати це випромінювання. Перший прилад КЭ — молекулярний генератор на аміаку, створений 1955 одночасно у СРСР (Басов і Прохоров) та (Ч. Таунс та інших.), сутнісно, є радиоспектроскопом, який, проте, влаштований отже молекули аміаку не поглинають, а випромінюють радіохвилі. Наприкінці 50-х рр. У та малошумливі парамагнитные квантові підсилювачі, у яких активної середовищем служили парамагнитные кристали, які перебувають за нормальної температури рідкого гелію (4,2 До) і розпочаті допоміжним джерелом НВЧ випромінювання. У ці ж роки широко досліджувалася можливість створення приладів КЭ оптичного діапазону довжин хвиль. У 1960 перший таке устаткування — рубіновий лазер — створений США. Кристал рубіна порушується імпульсної ксеноновой лампою. У наступні роки лазери на діелектричних кристалах, розпочаті зовнішнім джерелом оптичної накачування, отримали стала вельми поширеною і вони становлять одне з найважливіших різновидів лазерів. Посилення в лазерах здійснюється з допомогою змушених переходах в електронних оболонках ионов-активаторов (хром в кристалах рубіна, неодим в склі і алюмінієвому гранаті). У 1960 створено (США) перший газовий лазер на суміші атомів неону і гелію, збуджуваних електричним розрядом в газі низький тиск. Маломощные гелий-неоновые і потужні лазери на CO2 стали найбільш распространёнными представниками сімейства газових лазерів, що охоплюють широкий спектральний діапазон — від глибокого ультра-фиолетового (0,12 мкм) до інфрачервоного, смыкающегося з субмиллиметровым (1 нм). У 1959 Басов з працівниками теоретично обгрунтували можливість створення напівпровідникового лазера; перші такі лазери створені у 1962—63 (СРСР та).

Застосування КЭ.

Прилади КЭ випливає низка характерних рис, які різнять їхню відмінність від електронних приладів інших типів. Так молекулярні генератори НВЧ діапазону мають винятково високою стабільністю частоти коливань ~10-13 (наприклад, годинник з урахуванням такого генератора «підуть» на 3 секунди за 1 млн. Років). Квантові парамагнитные підсилювачі НВЧ мають рекордно низький рівень власних шумів (не св. 10 До) проти підсилювачами інших типів і тому застосовують у пристроях радіоастрономії, системах дальньої космічного зв'язку. За підсумками лазерів постали нові галузі техніки: нелінійна оптика, лазерна хімія, лазерна технологія, голографія, лазерна медицина, лазерна интерферометрия та інших. Потужний спрямований лазерний пучок, сфокусований лежить на поверхні будь-якого речовини, здатний розплавити і випарювати його. Це є основою багатьох технологічних застосувань лазерів. Лазерний промінь служить незамінним інструментом интерферометрических вимірів з точністю, приблизно можна з розмірами атомів і молекул. Здатність активної середовища деяких лазерів накопичувати енергію порушення та потім випромінювати їх у вигляді короткого (10-7—10-9) імпульсу з недосяжною колись потужністю (109—1010Вт) лягла основою лазерної імпульсної локації і дальнометрии. Надзвичайно мала расходимость лазерного випромінювання (приблизно за 4 порядки менший від, ніж в НВЧ випромінювання при порівнянних діаметрах антенних систем) уможливлює передачу його на величезні відстані, недосяжні для радіолокації. Инжекционные ПП лазери, безпосередньо змінюють електричний струм в когерентний оптичне випромінювання, є найбільш мініатюрними приладами КЭ, основі яких розвиваються такі важливі напрями електроніки, як оптоелектроніка, системи запису і зчитування інформації. Лазеры активно вторглися в технологію сучасної мікроелектроніки (процеси підгонки резисторів, контролю мікросхем, скрайбирования і отжига кремнієвих пластин, фотолитографии тощо. буд.). Лазеры отримали застосування і у військовому справі. Виробництво приладів КЭ в промислово розвинених країн сформувалося у велику галузь промисловості.

Електричне будова молекул.

Хіміки називають молекулою малого представника речовини. Фізики здебільшого користуються те слово лише тому випадку, коли цей дрібний представник реально існує як окреме маленьке тіло.

Чи є молекула кухонної солі? Куховарська сіль (NaCl) — це хлористий натрій. Молекула складається з одного атома натрію і самого атома хлору. Однак це відповідь лише формально справедливий. Насправді ж ні з кристалике кухонної солі, ні з розчині солі у питній воді, на в парах хлористого натрію ми виявляємо пари атомів, яка б себе, немов одне. У кристалі кожен атом натрію оточений шістьма хлорными сусідами. Всі ці сусіди рівноправні, і не можна сказати, який із них «належить» даному атома натрію.

Растворим кухонну сіль у питній воді. Виявиться, що розчин — чудовий провідник струму. Строгими дослідами можна довести, що електричний струм пре5дставляет собою потік негативно заряджених атомів хлору, рухомих до однієї бік, і потік позитивно заряджених атомів натрію, рухомих у протилежний. Отож за розчиненні атоми натрію і хлору теж утворюють міцно пов'язану пару атомів.

Коли модель атома встановлено, ставати ясним, що аніон хлору є атом хлору з «зайвим» електроном — навпаки, катиону натрію не дістає одного електрона.

Звідси можна дійти невтішного висновку, як і тверде тіло складається з іонів, а чи не з атомів. Це доводиться багатьма дослідами, на описі що їх думати зупинятися.

А пари хлористого натрію? І на парах ми знаходимо молекул. Пара хлористого натрію складається з іонів або з різних дуже нестійких груп іонів. Про молекулах іонних сполук можна говорити лише хімічному розумінні.

Йонні сполуки обов'язково розчиняються у питній воді. Такі розчини, класичними представниками яких вони є прості солі металів на кшталт хлористого натрію, Обладают хорошу провідність і тому називаються сильними электролитами.

Клас молекулярних кристалів дуже великий. У кристалі вуглекислого газу (CO2), атом вуглецю має які дуже близькі вуглецевих сусідів. І в інших випадках, вивчаючи структуру молекулярного кристала, відразу ж бачимо, сто є можливість розбити кристал на тісно розташовані групи атомів.

Якщо вони тісно розташовані, отже, і зв'язані великі сили. Це так це і є. Наприклад, сили, котрі пов'язують ці атоми, належать однієї молекулі, на 100 разів більше сил, діючих між атомами сусідніх молекул.

У чому полягає внутримолекулярная зв'язок? Досить ясно, що уявлення про притяганні електрично заряджених негативних і позитивних іонів обійтися вдасться. Адже є молекули кисню, азоту, водню, побудовані з однакових атомів. Неможливо припустити, що перший втрачає, а інший набуває електрон. Чому це електрон повинен віддати перевагу перебування близько з цих двох однакових атомів.

Пояснення сутності внутрімолекулярної зв'язку прийшло лише разом із квантовою механікою. Отже, енергія будь-який системи квантуется, одному рівні енергії можуть бути два електрона з протилежно спрямованими «спинами. Серед основних гіпотез квантової механіки випливає одну цікаву слідство. Виявляється (це ж ми гіпотеза, а суворий математичний висновок, який ми наводимо за його складності), що найбільш низька значення енергії, що може прийняти електрон, визначається розмірами області, усередині якої він рухається. Чим більші ті розміри, тим енергія цього «нульового рівня» нижче.

Тепер уявімо собі, що дві атома водню наближаються друг до друга. Якщо вони самі об'єднують у одну систему, то «квартира» кожному за електрона стане приблизно майже удвічі більше. У одній й тієї квартирі можуть мирно ужитися два електрона з протилежно спрямованими спинами. Отже, таке співжиття вигідно. Область існування обох електронів зросла. Отже сумарна енергія системи після об'єднання двох атомів за одну ціле знизилася. А те, що будь-яку систему — є те що можливість — прагне перейти до стану з наинизшей енергією, нам чудово відомо. З цієї причини наданий сама собі кулю скочується з гірки.

Отже, освіту хімічного зв'язку означає усуспільнення електронів. Є певна кількість електронів (їх називають внутрішніми), які обертаються близько ядер атомів, та деякі електрони (їх називають зовнішніми) охоплюють у своїй русі по крайнього заходу пару найближчих атомів, або навіть подорожують за всі атомам молекули.

Речовина, створена із молекул, можна почути з його електричним властивостями. Розчин такого речовини струму не проводить. Молекули не розпадаються на частини, а ціла молекула електрично нейтральна. У рідинах і парах молекули зберігають свою структуру — вся група атомів рухається як одне, переміщається поступально, обертається. Атоми, належать однієї молекулі, можна лише коливатися близько своїх положень рівноваги.

Нейтральна молекула несе у собі електричного заряду, але не можна поспішати із конкретним висновком у тому, що ця молекула не створює електричного поля. Якщо молекула несиметрична, то центри тяжкості її позитивного і негативного зарядів напевно збігатися ні. Інтуїтивно ясно, що збіг центрів тяжкості зарядів обох знаків матиме місце у таких молекулах як кисень чи азот, які з двох однакових атомів. Також неважко перевірити, що у такий молекулі, як, наприклад, молекула чадного газу ЗІ, ці центри може бути зсунуто друг щодо друга. Якщо така

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація