Atomare overgange Tre eksempler på vekselvirkningen mellem lys og stof, som alle har udgangspunkt i den kvantemekaniske atommodel:

Transkript

1 Moderne Fysik 6 Side 1 af 7 Forrige gang nævnte jeg STM som eksempel på en teknologisk landvinding baseret på en rent kvantemekanisk effekt, nemlig den kvantemekaniske tunneleffekt. I dag et andet eksempel på en teknologi baseret på kvantemekanikken, nemlig laseren, der vel nok er det mest slående eksempel på et stykke grundforskning, som med tiden har fået massiv indvirkning på vores dagligdag. Først noget om virkemåde og herefter noget om anvendelser. Atomare overgange Tre eksempler på vekselvirkningen mellem lys og stof, som alle har udgangspunkt i den kvantemekaniske atommodel: Stimuleret absorption : Et atom kan absorbere en foton, hvis hν = E2 E 1, hvor E1 og E2 kendetegner hhv. en oprindeligt besat og en oprindeligt ubesat tilstand: hν = E E 2 1 Fotonens energi overføres til atomet, som anslås/exciteres. Spontan emission : Et anslået atom er ustabilt og vil på et tidspunkt henfalde ved udsendelse af en foton med hν= E E : 2 1 hν = E2 E1 8 Typiske henfaldstider er 10 s. Groft sagt er det denne vekslen mellem absorption og emission, som forklarer, hvorfor lys udbreder sig langsommere i et stof, jo tættere stoffet er. Eksempelvis udbreder lys sig 1,5 gang langsommere i glas og vand end i luft, hvilket forklarer lysets brydning (den del af bølgefronten, som når glasset/vandet, vil blive bremset op, hvilket får bølgefronten til at ændre retning).

2 Moderne Fysik 6 Side 2 af 7 Når et atom henfalder til sin grundtilstand under udsendelse af flere (mere lavenergetiske) fotoner er der tale om flourescens: hν = E3 E2 hν = E2 E1 Fosforescens er tilsvarende, men er kendetegnet ved ekstrem lang henfaldstid (fra sekunder til adskillige minutter). Stimuleret emission : Hvis atomet, hvor en elektron er anslået fra tilstand 1 til 2, rammes af en foton med hν= E2 E 1, kan denne foton stimulere udsendelsen af endnu en foton. hν = E E 2 1 hν = E2 E1 De to fotoner har samme energi og svinger i takt (har samme fase) og forstærker dermed hinanden (interfererer konstruktivt). Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (lysforstærkning ved stimuleret emission). Laserprincippet går altså ud på at frembringe lys ved stimuleret emission: Da fotonerne forstærker hinanden, får laserlyset meget høj intensitet. Da fotonerne har samme energi, og dermed samme λ, er farven af laserlyset meget veldefineret ( monokromatisk lys). Denne snævre bølgelængdesammensætning betyder desuden, at laserlyset er meget retningsbestemt. Laserlys har således nogle meget fremtrædende egenskaber, som adskiller det fra almindeligt lys.

3 Moderne Fysik 6 Side 3 af 7 Hvad skal der til for at opnå laservirkningen: Under normale forhold (eks. stuetemperatur) er langt hovedparten af atomerne i grundtilstanden, og absorption vil dominere over stimuleret emission. Det er derfor nødvendigt at anslå/ pumpe atomerne og derved opnå en populationsinversion, hvor hovedparten af atomerne er anslåede. Den anslåede tilstand skal desuden være metastabil, sådan at henfaldstiden er lang nok til, at henfaldet kan nå at blive stimuleret, inden det sker spontant. Endelig er det nødvendigt, at de udsendte fotoner stimulerer mange emissioner, inden de udsendes fra kaviteten. Dette opnås vha. spejle. HeNe-gaslaser [HeNe-laser] Kaviteten består af en gassky af He- og Ne-atomer: En strøm af elektroner sendes gennem kaviteten, hvor de ved sammenstød sætter de relativt lette He-atomer i bevægelse. He-atomerne virker herefter som katalysatorer, idet de ved sammenstød anslår de * tunge Ne-atomer til den metastabile tilstand E 3. hν = E E = * 3 2 hc 632,8nm Udsendelsen af laserlys sker ved Ne-atomernes henfald E * 3 E2 (laserniveauerne) med λ = 632,8nm (synligt lys i det røde område). Laseranvendelser Teorien bag lysforstærkning ved stimuleret emission blev fremsat i 1917 af Albert Einstein, men først i 1960 lykkedes det at fremstille den første laser.

4 Moderne Fysik 6 Side 4 af 7 De første lasere var blot spektakulær grundforskning uden praktisk anvendelse. Laserlyset udviste interessante egenskaber, men laserne var klodsede, energikrævende og meget ustabile. I dag anvendes lasere overalt pga. deres høje intensitet, snævre bølgelængdesammensætning og høje grad af retningsbestemthed: Laserpointere [Laserpointer]. Synskorrektion: Lag fordampes af hornhinden, indtil den opnår den rigtige linse-facon. Nærsynedes hornhinder er eks. for tykke på midten (øjets linse kan ikke slappe nok af), hvorfor ting langt væk fokuseres ned før nethinden: Laserstyrede våbensystemer: Måludpegning vha. laserrefleksion fra målet. Afstandsmåling vha. d = ct 2: Våbensystemer eller fartkontrol. Industrielle anvendelser: Skære i eks. metal. Aflæsning af stregkoder: Aflæsning af et refleksionsmønster. Optisk kommunikation: I stedet for at overføre data (eks. telefonsamtaler og internetsider) vha. elektroner i kobberkabler, kan data overføres vha. laserlys i optiske fibre med en enorm kapacitetsforøgelse til følge. [Fiber] sin( b) nglas = nglas 1,5 sin( b) = 1,5sin( i ). For 1, 5sin( i ) > 1 fås total indre sin( i) nluft refleksion. Så længe fiberen ikke bøjes for meget, forbliver lyset således inden i den optiske fiber, og de eneste tab vil være dem, som skyldes absorption. Laserkirurgi: Laserlyset fremføres evt. vha. optiske fibre, og varmeudviklingen får blodkarrene til at lukkes. CD-afspiller: Informationen lagres i en spiralformet rille i form af huller og toppe og aflæses vha. en laser [CD,F1]. o Hullerne har en dybde på λ 4, sådan at der er destruktiv interferens mellem lys reflekteret fra hhv. bunden og toppen af et hul. Når

5 Moderne Fysik 6 Side 5 af 7 laserpletten rammer et hul, er intensiteten af det reflekterede lys således mindre, end når laserpletten rammer en top. Intensiteten af det reflekterede lys måles et antal gange i sekundet ( sampling ). En ændring i intensiteten af det reflekterede lys i forhold til forrige måling, svarende til at laserpletten har passeret en overgang mellem et hul og en top, fortolkes som et binært 1-tal, hvorimod samme intensitet som forrige måling aflæses som et 0. o Laserhovedet holdes på rette spor ved at sende laserlyset gennem et gitter og lade de to herved fremkomne 1.ordens-stråler ramme imellem rillerne, sådan at refleksionen af disse to hjælpestråler er lige stor, når laserhovedet følger sporet. Laserhovedets holdes således på plads ved hele tiden at sørge for, at refleksionen fra de to hjælpestråler er lige stor. er således et slående eksempel på et stykke grundforskning, som med tiden er blevet teknologisk modnet til revolutionerende anvendelser i dagligdagen! Holografi Fotografi En fotografisk film består af lysfølsomme korn, som ændrer karakter ved belysning, på en sådan måde at en fremkaldervæske kan skelne mellem belyste og ubelyste korn. Farvefilm indeholder tre slags korn, som er følsomme over for lys med de tre primærfarver rød, gul og blå. I den fotografiske film lagres således udelukkende informationer om den lysintensitet, filmen er blevet udsat for, hvorimod informationer om lysets udbredelsesretning og fase er gået tabt.

6 Moderne Fysik 6 Side 6 af 7 Holografi På filmen lagres interferensmønstret mellem reference- og objektstrålen. Et sådant interferensmønster optræder kun, hvis lyset er kendetegnet ved én farve, og holografi kræver derfor anvendelsen af laserlys. Interferensmønstret indeholder ikke kun information om lysintensitet, men også om lysstrålernes relative faser, hvilket kan omsættes til forskelle i udbredelseslængder og dermed give en dybdevirkning. Hologrammet, som er den fremkaldte film, består af lyse og mørke områder. Ved belysning af dette diffraktionsmønster med referencestrålen genskabes objektstrålen, på en sådan måde at objektet fremtræder med både dybde og perspektiv, idet filmen blot virker som et vindue, hvorigennem objektet ses! Hologrammer er således langt mere virkelighedstro end almindelige fotografier. Til gengæld skal der anvendes en laser, for at se hologrammet. Refleksionshologrammer, som f.eks. kendes fra dankort, kan imidlertid godt til en vis grad ses ved brug af hvidt lys. Ulempen er dog, at objektstrålen genskabes i forskellige farver i forskellige retninger, hvilket giver en vis uskarphed.

7 Moderne Fysik 6 Side 7 af 7 Denne bølgelængdeudvælgelse kendes i øvrigt også fra en CD, som reflekterer hvidt lys i alle regnbuens farver. [Hologrammer] Næste gang om lysets forunderlige natur. Opgaver: 42) 41, 43, 45, 46.