Лазер.

1. В чём состоят особенности лазерного излучения? Проиллюстрируйте ответ рисунком, где необходимо.
   1) Лазеры способны создавать пучки электромагнитного излучения, очень слабо расходящиеся по мере распространения. Посмотрите на рис. 157.
   
   Рис. 157. Сравнение расхождения пучка света, созданного лазером и созданного обычной лампочкой.
   Линии, подписанные стрелочками, изображают лучи света.
   а) Излучение лампочки.
   Прямоугольник с отверстием изображает непрозрачную коробку, в которой находится обычная лампочка (она на рисунке изображена жирной точкой).
   б) Излучение лазера.
   Прямоугольник с отверстием изображает лазер.
   Видно, что свет, излученный лазером, по мере распространения расходится значительно меньше света, излученного лампочкой.
   2) Излучение лазера сильно монохроматично, то есть лазер излучает электромагнитные волны примерно одной частоты.¹
   3) Лазеры являются самыми мощными источниками излучения электромагнитной энергии (под мощностью излучения надо понимать отношение излученной энергии, ко времени, за которое она излучена), созданные человеком (данные на 2010² год).³
2. Изобразите спектр излучения лазера.
   Спектр излучения лазера изображён на рис. 158.
   
   Рис. 158. Спектр излучения лазера.
   ν_л~- частота излучения этого лазера.
   На рисунке видно, что лазер излучает электромагнитные волны одной частоты.
3. Опишите кратко принцип работы лазера, сделайте рисунок.
   Для создания лазерного излучения используется вещество, атомы которого имеют энергетическую структуру, изображённую на рис. 159.
   
   Рис. 159. Принцип работы лазера.
   Горизонтальные линии — энергетические уровни атомов (у всех таких атомов будут такие энергетические уровни, но на рисунке изображены эти уровни одного из этих атомов), используемых для создания лазерного излучения.
   E_1~- основной энергетический уровень такого атома.
   E_3~- энергетический уровень такого атома, на который он переходит после получения энергии от внешнего источника.
   E_2~- энергетический уровень такого атома, на который он самопроизвольно переходит с уровня E_3 и, переходя с которого, на E_1 этот атом излучает.
   1-3 — переход этого атома с уровня E_1 на уровень E_3, происходящий в результате поглощения этим атомом энергии внешнего источника.
   3-2 — переход этого атома с уровня E_3 на уровень E_2, происходящий самопроизвольно в течение короткого времени.
   2-1 — переход этого атома с уровня E_2 на уровень E_1, происходящий под действием, пришедшего на этот атом излучения.
   Стрелочки подписанные hν изображают кванты излучения: слева от 2-1, идущий к атому до перехода 2-1, квант, который вызовет переход 2-1; справа от 2-1, идущие от атома после перехода 2-1, тот который вызвал переход 2-1 и излученный атомом в результате перехода 2-1.
   Изначально атомы этого вещества находятся в основном энергетическом состоянии E_1. Затем под действием внешнего источника энергии, например мощной лампы, атомы переходят в состояние E_3. И через короткое время τ_{32} самопроизвольно переходят из состояния E_3 в состояние E_2.⁴ И через промежуток времени τ_{21} один из атомов самопроизвольно переходит⁵ из E_2 в E_1. В результате он излучает фотон с энергией hν. Когда этот фотон достигает другого такого атома (тоже находящегося в состоянии E_2) этот другой атом совершает индуцированное излучение (излучение атома под действием падающего на него излучения; при индуцированном излучении, излученная электромагнитная волна когерентна⁶ электромагнитной волне, вызвавшей это излучение), и после этого фотонов с энергией hν, становится уже два. Процесс продолжается аналогично и в итоге все атомы совершают индуцированный переход 2-1, излучая электромагнитные волны когерентные друг другу. Так создаётся лазерное излучение.

Сноски:

1. Что можно сказать про фазу излучения и надо ли говорить?
2. Надо, конечно, современней год найти.
3. Созданными человеком или наблюдаемые человеком? Наблюдаемые человеком, наверно какие-нибудь квазары? А термоядерная бомба не мощнее лазера?
4. Время короткое по сравнению со временем, через которое эти атомы могут самопроизвольно перейти из E_2 в E_1 (τ_{32}≪τ_{21}). Настолько короткое, что за него скорее всего ни один атом не перейдёт из E_2 в E_1.
5. Или опять используют внешний источник, чтобы задать нужное направление?
6. А направление при индуцированном излучении зависит от направления вызывающей его волны?

Ссылки:

1. Эти же вопросы без ответов.
2. Следующая тема (Нуклонная модель ядра Гейзенберга-Иваненко).
3. Предыдущая тема (Линейчатые спектры).
4. Для комментариев, касающихся не только ЕГЭ по физике или этого сайта.