Строение атомов

1. Строение атома. Планетарная ( ядерная модель атома ) 2. Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода. 3. Лазеры и их применение

1. Строение атома. Планетарная ( ядерная модель) атома )

Модель атома Томсона ( 1903 год ) Джозеф Джон Томсон (1856 – 1940) Атом представляет собой шар радиусом порядка м, по всему объему которого равномерно распределены положительные заряды. Внутри шара около своих положений равновесия колеблются электроны.

Эрнест Резерфорд (1871 – 1937) Экспериментально исследовал распределение положительного заряда внутри атома. В 1906 г. бомбардировал атомы с помощью α-частиц.

Анимация « Опыт Резерфорда 2»

Анимация « Опыт Резерфорда 1»

Атомное ядро – тело малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома. Диаметр ядра порядка 10 Атом водорода В атоме водорода вокруг ядра обращается всего один электрон. Ядро водорода Резерфорд назвал протоном. Размер атома ( 10 м ) – это диаметр орбиты вращения его электрона. -15 м Модель атома Резерфорда ( 1911 год ) ( Планетарная модель атома ) В центре атома находится положительно заряженное ядро. Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. -10 Размер атома примерно в раз больше размера ядра

Анимация « Модели атомов»

Видеоролик « Планетарная модель атома»

Недостатки модели атома Резерфорда Эта модель не согласуется с наблюдаемой стабильностью атомов. По законам классической электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны, а поэтому терять свою энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце концов упадут на него.

Неустойчивость атома по электромагнитной теории Максвелла

2. Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода.

Энергетическими уровнями атома называют горизонтальные линии, каждой из которых соответствует определенная энергия атома

Энергетические уровни атома фотоны Дополнительная энергия

Спектр испускания водорода

Анимация « Излучение и поглощение света атомом»

Анимация « Спектры – спектр водорода»

3. Лазеры и их применение

Лазер или оптический квантовый генератор – это устройство для получения очень тонкого мощного пучка света строго определенной частоты или строго определенного цвета.

Лазеры А.М. Прохоров Н.Г. БасовЧ. Таунс В 1954 г. Впервые создали генераторы электромагнитного излучения – лазеры, работающие в диапазоне радиоволн. Т. Мейман В 1960 г. создал в США первый лазер на рубине, работающий в видимом диапазоне электромагнитных волн.

Виды лазеров Газовые -гелий-неоновый -аргоновый -криптоновый -ксеноновый -азотный -втористо-водородный -кислородно-йодный -углекислотный (CO 2 ) -на монооксиде углерода (CO) -эксимерный Газовые -гелий-неоновый -аргоновый -криптоновый -ксеноновый -азотный -втористо-водородный -кислородно-йодный -углекислотный (CO 2 ) -на монооксиде углерода (CO) -эксимерный На парах металлов -гелий-кадмиевый -гелий-ртутный -гелий-селеновый -на парах меди -на парах золота На парах металлов -гелий-кадмиевый -гелий-ртутный -гелий-селеновый -на парах меди -на парах золота Твердотельные -рубиновый -алюмо-иттриевые -на фториде иттрия-лития -на ванадате иттрия -на неодимовом стекле -титан-сапфировые -александритовый -оптоволоконный -на фториде кальция Твердотельные -рубиновый -алюмо-иттриевые -на фториде иттрия-лития -на ванадате иттрия -на неодимовом стекле -титан-сапфировые -александритовый -оптоволоконный -на фториде кальция Другие типы -полупроводниковый лазерный диод -на красителях -на свободных электронах -псевдо-никелево-самариевый Другие типы -полупроводниковый лазерный диод -на красителях -на свободных электронах -псевдо-никелево-самариевый

Первый квантовый генератор света был создан в 1960 году на рубине. Рубин - это твёрдый кристалл, основой которого является корунд, т.е. кристалл окиси алюминия (Al 2 O 3 ), в котором небольшая часть атомов алюминия (около 0,05%) замещена ионами хрома Cr Рубину придают форму цилиндрического стержня, концы которого тщательно отполированы, посеребрены, и служат зеркалами для лазера. Для освещения рубинового стержня применяют импульсные ксеноновые газоразрядные лампы-вспышки, через которые разряжаются батареи высоковольтных конденсаторов. Лампа-вспышка имеет форму спиральной трубки, обвивающейся вокруг рубинового стержня и дает световую вспышку зеленого света.

Метастабильное состояние атома хрома

Анимация « Рубиновый лазер»

Лазерный луч может разрезать самый твердый металл,рас – плавить любую металлическую броню Малая расходимость, если с Земли на Луну послать лазерный, то диаметр светлого пятна на Луне будет только 1 км. Большая мощность и тонкость позволяет применить лазерный луч для операции в глазе человека Свойства лазерного луча

Применение лазеров Наука Вооружение Медицина Промышленность и быт Спектроскопия Измерение расстояний Фотохимия Намагничивание Интерферометрия Голография Охлаждение Термоядерный синтез Лазерное оружие «Звездные войны» Целеуказатели Лазерный прицел Лазерное наведение Скальпель Точечная сварка тканей Хирургия Диагностика Удаление опухолей Резка, сварка, маркировка, гравировка CD, DVD-проигрыватели, принтеры, дисплеи Фотолитография, считыватель штрихкода Оптическая связь

Применение лазеров в промышленности Сразу же после появления лазеров и начала исследования взаимодействия лазерного луча с различными материалами стало ясно, что этот инструмент может найти широкое применение в разнообразных промышленных технологических процессах. Дело в том, что лазерный импульс несёт в себе огромный запас энергии - рубиновый лазер при кратковременном импульсе может достичь мощности в несколько миллиардов ватт. При попадании подобного луча на поверхность материала он вызывает мгновенное разогревание этой поверхности вплоть до испарения даже очень тугоплавкого материала. Это обстоятельство используется при сверлении отверстий в твердых материалах, резке и сварке металлов и пластмасс, заточке режущих инструментов, в том числе изготовленных из сверхтвердых сплавов. Сверление отверстий в алмазных украшениях при помощи традиционных способов занимает около двух часов. Этот же процесс, осуществляемый при помощи лазерной установки, длится не более 0,1 секунд. Для того чтобы прожечь стальную пластинку толщиной 1 мм лучом лазера, достаточно импульса длительностью в одну тысячную секунды с энергией 0,5 дж. В результате получается отверстие порядка 0,10,2 мм. Лучом такой же мощности можно сварить два куска фольги толщиной 0,05 мм или две тонкие проволочки. Чтобы прожечь стальную пластинку толщиной до 5 мм, нужен импульс с энергией от 20 до 100 дж. В этом случае луч лазера необходимо сфокусировать в одну точку, для чего применяется система линз. Отверстия, образующиеся в металле под действием такого луча, обычно бывают довольно большого диаметра.

Лазерный станок для резки металлов

Современная радиоэлектронная промышленность выпускает большое число разнообразных приборов и устройств от простого радиоприёмника до сверхсовременных компьютеров. Основу этих устройств составляют полупроводниковые блоки и интегральные схемы, имеющие очень небольшие размеры и тонкую структуру. Соединение отдельных блоков в единое целое, их сварка часто сопряжено с определёнными трудностями. И здесь на выручку приходят лазерные технологии, позволяющие соединить или сваривать между собой эти тонкие узлы. Лазерный луч можно сконцентрировать в очень тонкий пучок, имеющий на малых расстояниях практически нулевую расходимость. Это позволяет сконцентрировать излучаемую энергию на очень малой площади, например, соответствующей площади контакта между блоками электронной схемы. Точечная сварка получила распространение с первых дней появления импульсных твердотельных лазеров для выполнения неразъемных соединений в электронике и приборостроении. Точечной сваркой соединяются тонколистовые материалы (при толщине 0,5...2,0 мм), проволоки диаметром от 10 до 500 мкм, тонкие листы к массивным элементам.

Машина для лазерной точечной сварки

Одним из решений проблемы нейтрализации влияния атмосферных помех на распространение лазерного луча стало использование волоконно-оптических линий. Основу таких линий составляют тончайшие стеклянные трубочки - оптические волокна, уложенные в специальную непрозрачную оболочку. Конфигурация оптических волокон рассчитывается таким образом, чтобы при прохождении по ним лазерного луча возникал эффект полного отражения света, что практически полностью исключает потери информации при её передаче. Волоконно-оптические линии обладают огромной пропускной способностью. По одной нитке такой линии можно одновременно передавать в несколько раз больше телефонных разговоров, чем по целому многожильному кабелю, составленному из традиционных медных проводов. Кроме того на распространение лазерного луча по волоконно-оптическим линиям не оказывают влияние практически никакие помехи. В настоящее время волоконно-оптические линии используются при передаче сигналов кабельного телевидения высокого качества, а так же для обмена информацией между компьютерами через интернет по выделенным линиям. Существуют уже и телефонные линии, построенные с использованием оптических волокон.

Передача модулированного лазерного луча по оптическому кабелю

С появлением полупроводниковых лазеров появилась возможность использования их для записи и чтения информации на информационных носителях– лазерных компакт- дисках. Лазерный диск представляет собой круглую пластинку, изготовленную из алюминия, покрытую прозрачным пластмассовым защитным слоем. В начале изготавливается так называемый мастер-диск, на который с помощью луча лазера наносится информация в двоичном представлении. Лазерный импульс возникает только тогда, когда через записывающее устройство проходит логическая единица. В момент прохождения логического нуля импульс не возникает. В результате в некоторых местах поверхности диска, которые теперь соответствуют логическим единицам в массиве информации, алюминий испаряется. Мастер-диск служит матрицей, с которой печатаются многочисленные копии, причём на копии в тех местах, где на мастер-диске были светоотражающие участки, возникают выемки, рассеивающие свет, а в тех местах, где на мастер-диске были выемки, на копии остаются светоотражающие островки. Чтение информации с компакт-диска осуществляется так же лазером, только значительно меньшей мощности. Луч лазера направляется на вращающийся с большой скоростью диск под некоторым углом. Частота лазерных импульсов синхронизирована со скоростью вращения диска. Луч лазера, попадая на светоотражающий островок, отражается от него и улавливается фотоэлементом. В результате в электрической цепи считывающего устройства возникает ток и сигнал воспринимается как логическая единица. Если же луч лазера попадает на рассеивающую свет выемку, то отраженный луч проходит мимо фотоэлемента и электрического тока в цепи считывающего устройства не возникает. В этом случае сигнал интерпретируется как логический ноль. В настоящее время лазерные компакт- диски широко используются как для хранения компьютерной информации, так и для хранения и распространения музыкальных программ, предназначенных для воспроизведения на лазерных проигрывателях.

Лазерные диски Лазерные (компакт-диски) или оптические диски, - это диски, на поверхности которых информация записывается с помощью лазерного луча. Аббревиатура «CD-ROM» означает «Compact Disk Read Only Memory» и обозначает компакт-диск как носитель информации широкого применения. Компакт-диск был создан в 1979 году компаниями Philips и Sony. Объем компакт-диска – 190–700 Мб. Компакт-диски бывают для однократной записи (CD-R), для многократной записи (CD-RW). Диски последних двух типов предназначены для записи в домашних условиях на специальных пишущих приводах для компакт-дисков.

Применение лазеров в медицине. Ещё на заре развития лазерной техники медиков привлекла возможность использования лазеров в хирургии. Уже в середине 60-ых годов XX века были построены лазерные установки, которые с успехом использовались при хирургических операциях. В этих установках лазер соединен с гибким световодом, изготовленным из тончайших стеклянных или пластмассовых трубок ( все же оптические волокна). На конце световода закреплена головка с фокусирующей линзой. Световод вводится внутрь организма через небольшой разрез или другим доступным способом. Манипулируя световодом, хирург направляет луч лазера на оперируемый объект, оставляя нетронутыми соседние органы и ткани. При этом достигается высокая точность и стерильность оперативного вмешательства. При таких операциях значительно сокращается кровопотеря, что облегчает протекание послеоперационной реабилитации. Особенно широкое применение нашли лазерные инструменты в хирургии глаза. Глаз, как известно, представляет орган, обладающий очень тонкой структурой. В хирургии глаза особенно важны точность и быстрота манипуляций. Кроме того выяснилось, что при правильном подборе частоты излучения лазера оно свободно проходит через прозрачные ткани глаза, не оказывая на них никакого действия. Это позволяет делать операции на хрусталике глаза и глазном дне, не делая никаких разрезов вообще. В настоящее время успешно проводятся операции по удалению хрусталика путём испарения его очень коротким и мощным импульсом. При этом не происходит повреждение окружающих тканей, что ускоряет процесс заживления, составляющий буквально несколько часов. В свою очередь, это значительно облегчает последующую имплантацию искусственного хрусталика. Другая успешно освоенная операция – приваривание отслоившейся сетчатки. Лазеры довольно успешно применяются и в лечении таких распространённых сейчас заболеваний глаза как близорукость и дальнозоркость. Одной из причин этих заболеваний является изменение в силу каких-либо причин конфигурации роговицы глаза. С помощью очень точно дозированных облучений роговицы лазерным излучением можно исправить её изъяны, восстановив нормальное зрение. Трудно переоценить значение применения лазерной терапии при лечении многочисленных онкологических заболеваний, вызванных неконтролируемым делением видоизменённых клеток. Точно фокусируя луч лазера на скоплении раковых клеток, можно полностью уничтожить эти скопления, не повреждая здоровые клетки. Разнообразные лазерные зонды широко используются при диагностике заболеваний различных внутренних органов, особенно в тех случаях, когда применение других методов невозможно или сильно затруднено. рассматриваются некоторые специальные области

Оптико – волоконный лазер Лазерное удаление бородавок Лазер на службе дантиста

Лазерный телевизор

Беспроводная « мышка» + лазерная указка

Лазер - дальномер

Лазерное шоу

Видеофильм « Лазерное шоу»