Конспект урока по теме: Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ
«ЛАБИНСКИЙ СОЦИАЛЬНО – ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ»
МЕТОДИЧЕСКАЯ
РАЗРАБОТКА УРОКА
по теме:
“Спонтанное и вынужденное излучение.
Лазеры.”
Подготовила и провела
Ю.С. Слезева, преподаватель физики
Лабинск
2016
Дидактическая цель: Создание условий для осознания и осмысления новой учебной информации.
Цели урока:
Образовательные:
Познакомить студентов с принципом индуцированного излучения ( принципом действия квантовых источников света), рассказать о применении лазеров.
Развивающие:
Развивать умение думать, анализировать. Строить аналогии, обобщать.
Расширять кругозор студентов.
Воспитательные:
Воспитывать патриотизм и гордость за открытия, сделанные учеными нашей страны, прививать познавательный интерес к предмету, умение работать в коллективе.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Методы работы на уроке:
Объяснительно-иллюстративный
частично-поисковый.
Формы организации учебной деятельности:
Фронтальная
Индивидуальная
Подготовка к уроку:
Студенты должны подготовить сообщения по темам:
“Лазеры в промышленности”.
“Лазеры в медицине”.
“ Лазеры и информационные технологии”.
“ Лазеры в науке”.
План урока:
Организационный момент.
Актуализацич опорныз знаний.
Изучение нового материала.
Закрепление изученного.
Итоги урока.
Ход урока:
1. Организационный момент.
Приветствие;
Проверка присутствующих на уроке;
Организация внимания:
Устройство, изобретенное в середине 20 столетия, о котором пойдет речь на нашем уроке, является одним из выдающихся достижений науки.
Лазер все шире проникает во все сферы жизни современного человека. Наши студенты пользуются CD-плеерами, посещают дискотеки, где широко используются возможности лазера как источника света, обладающего особыми свойствами и яркостью. Знают, что лазеры применяются в системах связи и медицине. Не ослабевает интерес к исследованиям по применению лазеров в военном деле. Все эти и другие сведения о лазерах широко освещаются в прессе. Однако, в большинстве случаев, знания ребят этим и ограничиваются. Данный урок поможет исправить сложившуюся ситуацию.
Сообщение темы и целей урока.
2. Актуализация знаний.
Вопросы для фронтальной беседы:
Сформулируйте постулаты Бора.
Сколько квантов с различной энергией может испустить атом водорода, если электрон находится на третьей орбите?
Электрон в атоме водорода перешел с четвертого энергетического уровня на второй. Как при этом изменилась эенргия атома? Почему?
Чем отличается атом, находящийся в стационарном состоянии от атома в возбужденном состоянии?
На какие стационарные орбиты переходят электроны в атоме водородапри испускании видимых лучей?
3.Изучение нового материала.
При взаимодействии атома с фотоном может происходить:
1) поглощение света атомом;
2) спонтанное (самопроизвольное) излучение;
3) индуцированное (вынужденное) излучение.
Рассмотрим механизм спонтанного излучения (слайд 6): В возбуждённом состоянии атом находится около 10-8 с, после чего самопроизвольно (спонтанно) переходит в основное состояние, излучая при этом квант света.
Определение спонтанного излучения :
Спонтанное излучение происходит при отсутствии внешнего воздействия на атом и объясняется неустойчивостью его возбуждённого состояния.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Атомы в возбуждённом состоянии излучают свет во все стороны. Они отправляют свои лучи несогласованно. А это значит, что излучение разных атомов будет зачастую взаимно уничтожаться. Это происходит, когда гребень одной световой волны встречается со впадиной другой волны. Чтобы получить луч высокой интенсивности, необходимо заставить атомы излучать свои фотоны (световые частицы) согласованно, в одном направлении и желательно с одинаковой энергией. В этом случае мы получим лазерное излучение.
Понятие о вынужденном излучении :
Если же атом подвергается внешнему воздействию, то время его жизни в возбуждённом состоянии сокращается, а излучение уже будет вынужденным или индуцированным. Понятие о вынужденном излучении было введено в 1916 г А. Эйнштейном.
Рассмотрим механизм вынужденного излучения .
Вынужденное излучение происходит в результате воздействия на возбуждённый атом кванта света, частота которого совп
·адает с частотой его спонтанного излучения. Атом при этом переходит на более низкий энергетический уровень, и к первичному фотону добавляется ещё один фотон, ничем не отличающийся от первого. Падающее на атом излучение удваивается, затем может образоваться «лавина» фотонов.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Особенность индуцированного (вынужденного) излучения состоит в том, что возникающая световая волна не отличается от падающей ни частотой, ни фазой, ни поляризацией (резонансный эффект).
Квантовые генераторы
Оптические квантовые генераторы, излучение которых лежит в видимой и инфракрасной области спектра, называются лазерами.
Название «лазер» - это аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света посредством вынужденного излучения.
В 1954 г. Впервые создали генераторы электромагнитного излучения, использующие механизм вынужденного перехода.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
А.М. Прохоров
Н.Г. Басов
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Ч. Таунс
Трехуровневый лазер.
При работе лазера часто используется система трёх энергетических уровней атома, второе из которых – метастабильное со временем жизни атома в нём до 10-3 с.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
При этом атом при облучении переходит с первого сразу на третий энергетический уровень, затем путем спонтанного излучения – на второй, соответствующий метастабильному состоянию, где атомы «живут» долго. Таких атомов набирается всё больше и создается инверсная населенность энергетического уровня 2. Инверсная населенность энергетического уровня атома - состояние атома, при котором более высокие уровни энергии больше "населены" электронами, чем нижние.
В качестве примера работы трёхуровневого лазера рассмотрим работу рубинового лазера.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Основная деталь рубинового лазера – рубиновый стержень. Рубин состоит из атомов Al и O с примесью атомов Cr. Именно атомы хрома придают рубину цвет и имеют метастабильное состояние.
На стержень навита трубка газоразрядной лампы, называемой лампой накачки. Служит для передачи атомам хрома квантов энергии для перехода из основного состояния в метастабильное. Очень быстро образуется «перенаселённость» метастабильного уровня .
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Один из торцов стержня зеркальный (для как можно большей задержки фотонов внутри стержня и вызывания как можно большего числа актов вынужденного излучения), другой – полупрозрачный (через него выходит лазерное излучение). Боковая поверхность стержня непрозрачная .
Свойства лазерного излучения:
Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения.
Все фотоны лазерного излучения имеют одинаковую частоту (монохроматичность) и одно и то же направление (согласованность).
Лазеры являются мощными источниками света (до 109 Вт, т.е. больше мощности крупной электростанции).
Типы лазеров.
Лазерное излучение реализовано во многих активных средах – твердых телах, жидкостях и газах.
Твердотельные лазеры с оптической накачкой.
Газовые лазеры.
Химические лазеры.
Полупроводниковые лазеры
Лазеры на красителях.
Применение лазеров (Сообщения учащихся).
Итак, благодаря своим уникальным свойствам, лазеры нашли широкое применение
Обработка материалов (резание, сварка, сверление);
В хирургии вместо скальпеля;
В офтальмологии;
Голография;
Связь с помощью волоконной оптики;
Лазерная локация;
Использование лазерного луча в качестве носителя информации.
4. Закрепление изученного.
Вопросы.
Какое излучение называется спонтанным ? Является ли оно когерентным?
Какое излучение называется вынужденным? Является ли оно когерентным?
При каком условии может происходить усиление света при его прохождении через слой вещества?
При каком условии в веществе может возникнуть инверсия населенностей энергетических уровней?
Как устроен лазер?
Перечислите основные свойства лазерного излучения.
5. Итоги урока.