Лазеры
Тема урока: Лазеры 📚
Цели урока 🎯
Разобраться, чем вынужденное излучение отличается от спонтанного 🧠
Понять, как устроен лазер и что такое инверсная населённость 🔋
Научиться считать энергию и число фотонов лазерного излучения 🔢
Основная часть урока 📝
1. Спонтанное и вынужденное излучение 🤔
Возбуждённый атом может испустить фотон сам по себе — это спонтанное излучение, у каждого атома оно происходит в случайный момент и в случайном направлении. Но ещё в 1917 году Эйнштейн предсказал другой путь: пролетающий мимо фотон может «уговорить» возбуждённый атом излучить второй фотон — точную копию первого, с той же частотой, направлением и фазой. Это вынужденное излучение — сердце лазера.
2. Инверсная населённость 🔋
Обычно атомов в основном состоянии больше, чем возбуждённых, и свет в веществе поглощается. Чтобы фотоны размножались, нужно обратное: возбуждённых атомов должно быть больше, чем невозбуждённых. Такое состояние называют инверсной населённостью, а создают его накачкой — например, мощной лампой-вспышкой или электрическим разрядом. Атомы «складируются» на особом долгоживущем (метастабильном) уровне и ждут сигнала.
3. Устройство лазера 🛠
Активная среда — кристалл, газ или полупроводник, где создают инверсную населённость.
Система накачки — источник энергии для возбуждения атомов.
Резонатор — два зеркала по торцам: фотоны бегают между ними, лавинообразно клонируя себя; одно зеркало полупрозрачно и выпускает луч наружу.
Первый лазер (на кристалле рубина) заработал в 1960 году. За теорию квантовых генераторов Нобелевскую премию получили Николай Басов, Александр Прохоров и Чарльз Таунс. Лазерный свет монохроматичен, когерентен, узконаправлен и может нести огромную мощность.
4. Разбор задач 🔢
Задача 1. Импульс лазера имеет энергию E = 0,3 Дж при длине волны λ = 660 нм. Сколько фотонов в импульсе?
Энергия одного фотона: Eф = h·c/λ, где h — постоянная Планка (6,6 · 10−34 Дж·с), c — скорость света (3 · 108 м/с), λ = 6,6 · 10−7 м.
Eф = (6,6 · 10−34 · 3 · 108)/(6,6 · 10−7) = 3 · 10−19 Дж.
Число фотонов: N = E/Eф = 0,3/(3 · 10−19) = 1018.
Проверка: 1018 · 3 · 10−19 = 0,3 Дж — сошлось. Ответ: 1018 фотонов.
Задача 2. Лазер мощностью P = 2 Вт светит на чёрную (полностью поглощающую) пластину. С какой силой луч давит на неё?
За секунду свет приносит импульс p = E/c = P·t/c, поэтому сила F = P/c, где P — мощность (Вт), c — скорость света (м/с).
F = 2/(3 · 108) ≈ 6,7 · 10−9 Н.
Ответ: около 6,7 · 10−9 Н — сила ничтожная, но в космосе солнечный парус именно так и разгоняется.
Типичные ошибки ⚠️
❌ Путают спонтанное и вынужденное излучение → ✅ лазер работает на вынужденном: фотон-копия рождается «по команде» пролетающего фотона.
❌ Думают, что лазер усиливает любой свет → ✅ он генерирует свет одной определённой длины волны, заданной активной средой.
❌ Считают энергию импульса энергией одного фотона → ✅ импульс — это N фотонов: N = E/Eф.
Тема не даётся? Разберём вместе 🎓
Инверсная населённость и резонаторы звучат страшно только до первого понятного объяснения. В «Моей школе LS» живые онлайн-уроки в малых группах с 1 по 11 класс: учитель разберёт именно то, что запутало тебя.
Мини-конспект 📋
Вынужденное излучение: фотон рождает свою точную копию.
Для генерации нужна инверсная населённость — возбуждённых атомов больше.
Три части лазера: активная среда, накачка, резонатор из двух зеркал.
Свойства луча: монохроматичность, когерентность, направленность, мощность.
Число фотонов в импульсе: N = E/Eф, где Eф = h·c/λ.
Сила давления света на поглощающую поверхность: F = P/c.
Зачем это нужно? 🚀
Лазерная коррекция зрения и «бескровная» хирургия 🏥
Интернет приходит к тебе по оптоволокну лазерными импульсами 🌐
Лазер режет металл, читает штрихкоды и измеряет расстояния до миллиметра 📏
Лампа излучает хаотично: волны разных частот летят во все стороны. Лазер даёт монохроматический когерентный свет — все волны одной частоты и «в ногу», поэтому луч почти не расходится и его можно сфокусировать в точку.
Делим энергию импульса на энергию фотона: N = 3 · 10⁻²/(3 · 10⁻¹⁹) = 10¹⁷ фотонов.
Хрусталик фокусирует узкий когерентный луч в крошечное пятно на сетчатке, и вся мощность концентрируется на нескольких клетках — даже маломощная указка способна их повредить.
Оцените урок:
