فیزیک اتمی - لیزر

فیزیک اتمی

لیزر

1 یادآوری

هرگاه در یك اتم الكترون‌ها روی مدار مانا حركت­كنند، از اتم تابشی­گسیل نمی­شود .

1 یادآوری

برای آن­كه الكترونی را از­حالت  n₁  به­حالت  n₂  منتقل­كنیم  (n₁ < n ₂  ) ، باید به­آن مقداری­معین انرژی بدهیم­. در­این­صورت گفته­می‌شود­، اتم به­حالت برانگیخته رفته­است­. كه به­صورت زیر­نمایش می‌دهیم­:

 

*اتم      g فوتون  +  اتم

 

این برهم‌كنش فوتون با اتم را جذب می‌نامیم­.­

 

1 یادآوری

  هرگاه اتم در یك­حالت برانگیخته باشد با گسیل یك­فوتون به­حالت پایین­تر می­رود . این برهم‌كنش ­گسیل خود­به­خود ­نامیده­می­شود كه آن­را به صورت زیر نمایش می دهیم

 

*اتم    g    فوتون  +  اتم

 

گسیل­القایی

نوع دیگری از برهم‌كنش ­فوتون با اتم كه اساس كار لیزر به­شمار­می آید گسیل­القایی ( تحریك­شده ) است­. در این­برهم‌كنش ابتدا اتم در­حالت برانگیخته است­. یك فوتون با­انرژی hn  كه برابر اختلاف­انرژی دوتراز اتم است­، اتم را وامی‌دارد تا با گسیل یك فوتون دیگر با همین بسامد­،‌به­حالت پایین­تر ، یا پایه­، ­برود­. این برهم­كنش را به­صورت زیر نمایش می‌دهیم

 

 

& نكته  

   توجه به این نكته ضروری است كه اگر اتم در حالت برانگیخته باشد و به حال خود گذاشته شود­، سرانجام با تابش یك فوتون به حالت­پایه می­رود­. اما با تابش یك فوتون به­آن نه­تنها این فرآیند سریع‌تر صورت­می‌گیرد­، بلكه فوتون گسیل­شده از اتم و فوتون فرودی هم­جهت­، هم­فاز­، موازی و هم­انرژی است­.

 

& نكته  

 نتیجه‌ی نهایی برخورد یك فوتون مناسب با الكترون در مدار پر انرژی‌تر، این است كه الكترون به مدار كم‌انرژی‌تر سقوط می­كند و دو فوتون دقیقاً ­همانند هم روان می شوند ( گسیل القایی ) .این دوفوتون در برخورد به اتم های دیگر به 4 فوتون تبدیل می‌شوند­و ...­

 

& نكته  

  در بیش­تر چشمه­های نور تنها بخش كوچكی از نور در اثر گسیل­القایی تولید­می‌شود­. قسمت عمده‌ی نور­، حاصلِ گسیل­خود­به­خودی است ، اما در لیزر­، نور فقط از طریق گسیل­القایی تولید­می‌شود­.

 

& نكته  

  در گسیل­خود­به­خودی­، فوتون­ها در راستاهای مختلف و با اختلاف فاز منتشر می­شوند­. اما وقتی نور نتیجه‌ی گسیل­القایی­است­ ( لیزر ) همه‌ی فوتون‌ها دقیقاًً هم‌فاز هستند و در یك راستا منتشر می‌شوند و موازیند .

& نكته  

 در لیزر فوتون‌های هم­فاز و هم‌راستا تولید می­شود كه طول­موج یكسانی­دارند . به­عبارت­دیگر همه‌ی فوتون‌ها دقیقاً هم­رنگند یعنی نور لیزر كاملا ً تك‌رنگ است و به­هیچ­وجه تجزیه­نمی‌شود­.

& نكته  

پرتوهای نور لیزر كاملا ً موازی­اند­. در­حالی­كه پرتوهای نور ناشی از گسیل­خود­به­خودی در همه­ی راستاها منتشر می­شوند­.

 " تمرین

كدام پدیده­ی زیر اساس كار لیزر به­شمار می­آید ؟

1.       بازتاب

2.       جذب فوتون

3.       گسیل­القایی­فوتون

4.       گسیل­خود­به­خودی فوتون

 

گزینه ««3»»

باتابش  فوتون به اتم های برانگیخته ،  الكترون  ها از حالت تحریكی پایین می آیند و فوتون های ثانوی تولید می شود كه با فوتون های اولیه هم جهت . هم فاز و هم انرژی هستند . این پدیده نشر تحریكی یا گسیل القایی نام دارد

 " تمرین

  تفاوت لیزر با نور معمولی در این است كه:

1.       لیزر شدید تر و پر انرژی تر خواهد بود.

2.       لیزر در بسامد  مرئی وجود ندار د.

3.       فوتون های لیزر هم فاز ، هم انرژی و هم جهت اند.

4.       لیزر با نور معمولی هیچ تفاوتی ندارد.

 

گزینه ««3 »»

 

وقتی پرتوهای نور به شكل لیزر­، در­می­آیند­. به­علت­آن­كه اساس لیزر گسیل القایی است­، فوتون­هایی تولید­می­شوند كه با فوتون­های­ فرودی هم­جهت­، هم­فاز و هم­انرژی هستند­، و این خاصیت در نور معمولی وجود­ندارد­.

 " تمرین

  اگر فوتون با الكترون ­اتمی بر­هم­كنش­ نماید­ چه پدیده­ای رخ­می­دهد­­؟

1 ) الكترون ممكن­است از تراز­پایین­تر به تراز­بالا­تر برود­.

2 ) الكترون ممكن­است از تراز­بالا­تر  به تراز­پایین­تر­ برود

3 ) گزینه ی 1 و2  ­درست است­.

4 ) فوتون هرگز با الكترون بر­هم­كنش نخواهد­كرد  .

 

گزینه ««3 »»

 

گزینه ی ««1»» تحریك نام دارد و گزینه ی ««2 »» نشر تحریكی ( گسیل القایی ) است، كه اساس لیزر است.

 " تمرین

 در یك لیزر گازی هلیوم نئون هنگامی كه نور ورودی 10 وات توان داشته­باشد­، در خروجی آن پرتویی به­توان 10 میلی­وات ­خواهیم­داشت­. بازده­ی این لیزر چند در­صد است­؟

1. 100
2. 10
3. 0.1
4. 0.001

 

گزینه ««3 »»

می توان بازده لیزر را چنین محاسبه كرد :