Возбуждение газовой среды электрическим разрядом

Строение атома. Постулаты Бора. Особенности движения квантовых частиц. Гипотеза де Бройля. Принцип неопределённости Гейзенберга. Квантовые числа. Принцип Паули. Периодическая система Менделеева.

Строение атома. Атом состоит из тяжёлого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его лёгких электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атома. Размеры атома в целом определяются размерами его электронной оболочки и велики по сравнению с размерами ядра атома. Электронные оболочки не имеют строго определённой границы; значения размеров атома в большей или меньшей степени зависят от способов их определения и весьма разнообразны.

Заряд ядра — основная характеристика атома, обусловливающая его принадлежность определённому элементу. Заряд ядра всегда является целым кратным элементарного положительного электрического заряда е, равного по абсолютному значению заряду электрона - е. Заряд ядра равен +Ze, где Z — порядковый номер (атомный номер). Z = 1, 2, 3, 4,... для атомов последовательных элементов в периодической системе элементов Менделеева, т. е. для атомов Н, Не, Li, Be... В нейтральном атоме ядро с зарядом +Ze удерживает Z электронов с общим зарядом -Ze и полный заряд атома равен нулю. Электрический заряд 1 моль протонов равен числу фарадея, 96500 Кл.

Изотопы — разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре. Химические свойства атома зависят практически только от строения электронной оболочки, которое, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (т.е. количеством протонов в нём) и почти не зависит от его массового числа A (т.е. суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов.

Постулаты Бора — основные допущения, сформулированные Нильсом Бором в 1913 году для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода (формула Бальмера-Ридберга 1/λ = R_λ(1/m² – 1/n²)), ядерной модели атома и квантового характера испускания и поглощения света.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют некоторые стационарные состояния, не изменяющиеся во времени без внешних воздействий. В этих состояниях атом не излучает электромагнитных волн.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое им испускается или поглощается один квант энергии.

Третий постулат Бора (правило квантования орбит): в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные значения момента импульса.

Особенности движения квантовых частиц. В квантовой механике у частиц нет определённой координаты и можно говорить только о вероятности найти частицу в некоторой области пространства. Состояние частицы описывается волновой функцией, а динамика частицы (или системы частиц) описывается уравнением Шредингера. Характерной особенностью уравнения Шредингера является то, что его собственные значения могут быть дискретны. Например, планеты могут вращаться вокруг Солнца на орбитах с любым радиусом и могут иметь непрерывный набор значений энергии, а электрон в атоме водорода в квазиклассическом приближении «обращается» вокруг протона на орбитах с определенными радиусами и может обладать только некоторыми разрешёнными энергиями, представленными в энергетическом спектре.

С открытием законов квантовой механики, возник вопрос - а что происходит с движением частиц в магнитном поле в квантово-механическом случае? Для решения этого вопроса необходимо решить уравнение Шредингера. Впервые это сделал 1930 году советский физик Ландау. Оказалось, что вдоль магнитного поля частица может двигаться с любой скоростью; но при заданной проекции скорости вдоль магнитного поля, частица может занимать дискретные энергетические уровни. Эти уровни были названы уровнями Ландау.

Уравнение Шредингера и его решения:

описывают энергетические уровни частицы;

описывают волновые функции;

описывают энергетические уровни частицы, когда есть не только магнитное поле, но и электрическое;

описывают энергетические уровни частицы в двумерном пространстве.

Согласно гипотезе де Бройля любой движущийся частице с энергией E и импульсом p соответствует волна с частотой υ = E/ħ, длиной волны λ = ħ/p и волновым вектором k = p/ħ. Так же как в случае с фотоном, с соответствующей волной связаны частицы, обладающие энергией E = ħυ и импульсом p = ħ/λ (или p = ħk).

С фотонами связаны электромагнитные волны. Волны, для частиц с m ≠ 0, о существовании которых догадался Л. де Бройль, носят название волн де Бройля. Длина волны де Бройля: λ = ħ/p, где p - импульс частицы.

Принцип неопределённости Гейзенберга - в квантовой физике так называют закон, который устанавливает ограничение на точность (почти) одновременного измерения переменных состояния, например, положения и импульса частицы.

Принцип заключается в том, что нельзя одновременно измерить скорость и координаты квантовой частицы.

Гейзенберг пришел к формуле, дающей общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира. В результате им был сформулирован принцип неопределенности, названный теперь его именем:

- неопределенность значения координаты x;

- неопределенность скорости больше h/m, математическое выражение которого называется соотношением неопределенностей Гейзенберга: Δx·х·Δv > ħ/m, где Δx — неопределенность (погрешность измерения) пространственной координаты микрочастицы, Δv — неопределенность скорости частицы, m — масса частицы, а ħ — постоянная Планка.

Термин «неопределенность пространственной координаты» как раз и означает, что мы не знаем точного местоположения частицы.

В мире квантовых явлений, однако, любое измерение воздействует на систему. Сам факт проведения нами измерения, например, местоположения частицы, приводит к изменению ее скорости, причем непредсказуемому (и наоборот). Вот почему в правой части соотношения Гейзенберга стоит не нулевая, а положительная величина. Чем меньше неопределенность в отношении одной переменной (например, Δ x), тем более неопределенной становится другая переменная (Δ v), поскольку произведение двух погрешностей в левой части соотношения не может быть меньше константы в правой его части. На самом деле, если нам удастся с нулевой погрешностью (абсолютно точно) определить одну из измеряемых величин, неопределенность другой величины будет равняться бесконечности, и о ней мы не будем знать вообще ничего. Иными словами, если бы нам удалось абсолютно точно установить координаты квантовой частицы, о ее скорости мы не имели бы ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы понятия не имели, где она находится. На практике, конечно, физикам-экспериментаторам всегда приходится искать какой-то компромисс между двумя этими крайностями и подбирать методы измерения, позволяющие с разумной погрешностью судить и о скорости, и о пространственном положении частиц.

Квантовые числа - целые (0, 1, 2,...) или полуцелые (1/2, 3/2, 5/2,...) числа, определяющие возможные дискретные значения физических величин, которые характеризуют квантовые системы (атомное ядро, атом, молекулу) и отдельные элементарные частицы. Применение квантовых чисел в квантовой механике отражает черты дискретности процессов, протекающих в микромире, и тесно связано с существованием кванта действия, или постоянной Планка, ħ.

Главное квантовое число n определяет общую энергию электрона и степень его удаления от ядра (номер энергетического уровня); оно принимает любые целочисленные значения, начиная с 1 (n = 1, 2, 3,...). Все орбитали n-ого энергетического уровня имеют большую энергию, чем орбитали n-1 энергетического уровня.

Орбитальное квантовое число l определяет форму атомной орбитали. Оно может принимать целочисленные значения от 0 до n-1 (l = 0, 1, 2, 3,..., n-1). Каждому значению l соответствуют различные геометрические характеристики граничных поверхностей. Орбитали с l = 0 называются s-орбиталями, l = 1 - р-орбиталями (3 типа, отличающихся магнитным квантовым числом m), l = 2 - d-орбиталями (5 типов), l = 3 - f-орбиталями (7 типов).

Принцип Паули – принцип запрета, фундаментальный закон природы, согласно которому две тождественные частицы с полуцелым спином (спин – собственный момент количества движения элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого) не могут одновременно находиться в одном состоянии.

• Электрический ток используется для накачки полупроводниковых или химических лазеров.

Оптический резонатор- это устройство, обеспечивающее положительную обратную связь и формирующее когерентный луч с очень малой степенью расходимости. В простейшем случае оптический резонатор представляет собой два плоскопараллельных зеркала (обращенных друг к другу) установленных на одной оси, и между которыми помещается рабочее тело. Одно из зеркал полупрозрачно.

Система накачки создаёт в рабочем теле инверсную населённость. После этого начинается процесс спонтанного возвращения частиц в невозбуждённое состояние. При этом частицы испускают фотоны.

Те фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора в направлении перпендикулярном зеркалам З1 и З2, будет поочередно отражаться от них и усиливаться при каждом проходе через активную среду. За счёт этого возрастает число их взаимодействий с возбуждёнными атомами и происходит «лавинообразное» нарастание индуцированных фотонов. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачое зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей

Свойства

Высококогеретность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного индуцированного излучения.

Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, то есть содержит волны практически одинаковой частоты

Дата добавления: 2015-06-04