Dane INFORMACYJNE

Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • I Liceum Ogólnokształcące im. Powstańców Wlkp. w Koźminie Wlkp. • ID grupy: 97/32_G2 • Opiekun: Jarosław Kucharski • Kompetencja: Matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: • Laser, atomowe światło. Pół wieku od odkrycia. • Semestr/rok szkolny: V/2011/2012

Zakres i podział zadań • Na początku pracy nad projektem każdemu uczestnikowi grupy przydzielono zagadnienia do opracowania w formie prezentacji, które następnie zostały zaprezentowane przed całą grupą. Podsumowaniem tych opracowań jest prezentacja końcowa. • Grupa matematyczna zajęła się przygotowaniem zadań i problemów związanych z wykonaniem mniej lub bardziej skomplikowanych obliczeń matematycznych (wyznaczanie odległości między rowkami na płycie CD, zadania związane z fizyką kwantową). • Grupa fizyczna opracowała wiadomości z zakresu kwantowej natury światła, budowy atomu wodoru, widm emisyjnych i absorpcyjnych promieniwania oraz zasady działania i budowy lasera, aby wyczerpująco omówić temat projektu: • „Laser, atomowe światło. Pół wieku od odkrycia”. • Przygotowała i przeprowadziła proste eksperymenty fizyczne. • Głównymi odpowiedzialnymi za całokształt pracy byli Mateusz i Przemek.

Laser, atomowe światło. Pół wieku od odkrycia. Źródło: mag.media.pl

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA • Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna. http://open.agh.edu.pl/mod/resource/view.php?id=495 http://pl.wikipedia.org/wiki/Mechanika_kwantowa

Wszystko co naprawdę wiemy o świecie, wiemy z doświadczenia. Tymczasem jednak doświadczenia mówią nam coś dość niesamowitego. Z jednej strony światło ulega dyfrakcji i interferencji czyli jest falą (ma zatem naturę ciągłą). Z drugiej strony, aby wyjaśnić promieniowanie ciała doskonale czarnego i efekt fotoelektryczny trzeba przyjąć, że światło jest strumieniem cząstek (fotonów) czyli ma naturę nieciągłą. http://open.agh.edu.pl/mod/resource/view.php?id=495

KWANTOWA NATURA ŚWIATŁA http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdfhttp://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

FALOWA NATURA CZĄSTEK http://www.wtc.wat.edu.pl/dydaktyka/fizyka-wykRutkowski/V%20Fizyka%20kwantowa.pdf

Budowa atomu • Atomy składają się z jądra i otaczających to jądro elektronów. W jądrze znajdują się z kolei nukleony: protony i neutrony. Neutrony są cząsteczkami obojętnymi elektrycznie, protony noszą ładunek elektryczny dodatni, zaś elektrony – ujemny. http://www.ekoportal.gov.pl/opencms/opencms/ekoportal/prawo_dokumenty_strategiczne/ochrona_srodowiska_w_polsce_zagadnienia/Promieniowanie/PromieniowanieJonizujace/ http://zadane.pl/zadanie/922924

Analiza spektralna • Analiza widmowa, inaczej analiza spektralna - rodzaj teleanalizy - metoda jakościowego i ilościowego określania substancji na podstawie widma, w tym także metody wytwarzania widm. Z pomiarów fal linii widmowych dla danej substancji można wyznaczyć jej skład identyfikując pierwiastki w niej zawarte, energie połączeń, a także układ cząsteczek i atomów w cząsteczkach. Do analizy widmowej wystarczą śladowe ilości substancji. http://pl.wikipedia.org/wiki/Analiza_widmowa http://astronomia.zagan.pl/news.php

Etapy analizy spektralnej • Analizę spektralną wykorzystuje się w: Astronomii - do kwalifikacji gwiazd, oraz badania ich składu chemicznego i warunków panujących w gwieździe Chemii - badania składu substancji chemicznych. • poprzez porównanie widma substancji z widmami wzorcowymi określa się, jakie substancje (pierwiastki) wchodzą w jej skład, • poprzez porównanie natężenia światła w uniach różnych pierwiastków wchodzących w skład substancji określa się jej skład procentowy, • poprzez analizę poszerzenia określa się ciśnienie gazu i oddziaływania między cząsteczkami, rozszczepienie linii umożliwia badanie pola magnetycznego, a przesunięcie oddalania się lub energii grawitacyjnej. http://pl.wikipedia.org/wiki/Analiza_widmowa

Analiza spektralna Zjawisko pochłaniania światła w ośrodku materialnym. W miarę rozchodzenia się fali świetlnej w ośrodku, jej natężenie stopniowo maleje. http://www.edupedia.pl/words/index/show/532462_slownik_fizyczny-absorpcja_wiata.html

Zjawisko absorpcji jest związane z przekształcaniem energii pola elektromagnetycznego fali świetlnej w inne formy energii. Zmiana natężenia światła dI po przejściu przez warstwę ośrodka o nieskończenie małej grubości dx wyraża się równaniem : dI = -αI0dx http://www.edupedia.pl/words/index/show/532462_slownik_fizyczny-absorpcja_wiata.html

Laser- Co to jest i jak działa? Źródło: technologie.gazeta.pl

Laser- Co to jest i jak działa? Bibliografia do tej części prezentacji. • http://www.ctlasers.com/nightclub-laser-shows/ • www.wikipedia.pl

Laser • Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od LightAmplification by StimulatedEmission of Radiation — wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł promieniowania. Jest spójne w czasie i przestrzeni, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu (zob. laser femtosekundowy).

Laser- podstawowe informacje

ZASADA DZIAŁANIA LASERA • Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów. • Ośrodek czynny • Układ pompujący • Rezonator optyczny • Warunek progowy akcji laserowej • Właściwości światła laserowego

Ośrodek Czynny • Oddziaływanie promieniowania z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłaniania fotonów (absorpcji), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej ma taką samą częstotliwość i polaryzację jak foton wywołujący emisję. Przykładowy foton wzbudzający musi mieć energię równą energii wzbudzenia atomu ośrodka. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają takie fotony. Gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym zachodzi inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Stan wzbudzony jest stanem metastabilnym co zapewnia magazynowanie energii do czasu wyemitowania jako wiązki laserowej i jest warunkiem funkcjonowania urządzenia.

Układ Pompujący • Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny by zapewnić inwersję obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flesza), błysk innego lasera, przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.

Rezonator Optyczny • Wzbudzony ośrodek czynny stanowi wprawdzie potencjalne źródło światła laserowego, jednak do powstania uporządkowanej akcji laserowej potrzebny jest jeszcze odpowiedni układ optyczny, zwany rezonatorem. Układ ten pełni rolę dodatniego sprzężenia zwrotnego dla światła o wybranym kierunku i określonej długości fali. Spośród wszystkich możliwych kierunków świecenia i wszystkich dostępnych dla ośrodka długości fal, jedynie światło o parametrach ustalonych przez rezonator będzie wzmacniane na tyle mocno, by doprowadzić do akcji laserowej.

Warunek progowy akcji laserowej • Aby mogła zajść akcja laserowa, wzmocnienie promieniowania w obszarze czynnym musi co najmniej równoważyć straty promieniowania wewnątrz rezonatora (rozpraszanie, straty dyfrakcyjne) oraz emisję części promieniowania na zewnątrz rezonatora (np. przez częściowo przepuszczalne lustro wyjściowe).

Schemat budowy i działania lasera. Źródła: http://www.porownaj-laser.pl/laser.html oraz gim36.pl/prezentacje/jak_to_dziala/laser.pps

Zasada działania lasera. • W dużym uproszczeniu, zobrazowanie budowy i działania lasera przedstawia rysunek przedstawiony na poprzednim slajdzie. Do ośrodka o właściwościach wzmacniających światło, dostarczana jest energia świetlna lub elektryczna ( proces ten nazywamy pompowaniem lasera ), co w efekcie powoduje emisję wymuszoną. Ośrodek wzmacniający umieszczony jest wewnątrz rezonatora składającego się z dwóch zwierciadeł, z których jedno jest całkowicie odbijające, drugie natomiast jest częściowo przepuszczalne. W wyniku emisji wymuszonej, wewnątrz rezonatora (zapewniającego sprzężenie zwrotne ), układ staje się generatorem światła. Poprzez zwierciadło półprzepuszczalne (emisyjne) , na zewnątrz układu wydostaje się część światła, stanowiąca użyteczną wiązkę laserową. Wiązka ta może zostać poddana dalszej obróbce na drodze optycznej, w celu przygotowania jej do określonych zadań. • W opisany wyżej sposób działa większość laserów stosowanych w aplikacjach medycznych, należy jednak dodać, że istnieją też inne, bardziej skomplikowane rozwiązania. Źródła: http://www.porownaj-laser.pl/laser.html oraz gim36.pl/prezentacje/jak_to_dziala/laser.pps

Ogólna charakterystyka światła laserowego. • Światło emitowane przez laser jest falą elektromagnetyczną o ściśle określonych właściwościach, które odróżniają je od naturalnych źródeł takich jak żarówka, płomień czy słońce. • 1. Jest monochromatyczne, tzn. że posiada tylko jedną długość fali (kolor), naturalne źródła światła promieniują w szerokim spektrum od podczerwieni do ultrafioletu. • 2. Jest koherentne, tzn. że fale świetlne emitowane przez laser posiadają tą samą fazę, natomiast naturalne źródła światła emitują fale o różnych fazach. • 3. Jest skolimowane, tzn. że wiązka światła laserowego ma niewielką rozbieżność i łatwo można utrzymać niewielką średnicę wiązki na dużych dystansach. W naturalnych źródłach światła nie jest możliwe osiągnięcie takiego stopnia kolimacji nawet przez zastosowanie skomplikowanych układów optycznych. Źródła: http://www.porownaj-laser.pl/laser.html oraz gim36.pl/prezentacje/jak_to_dziala/laser.pps

Naukowcy związani z Laserem • Teoretyczne podstawy mechanizmów wzmocnienia światła dał w 1917 roku Albert Einstein. Urzeczywistnieniem teorii promieniowania laserowego stał się ponad 40 lat później pierwszy - zbudowany w 1960 roku przez Amerykanina Teodora Maimana- laser rubinowy. • TEODOR MAIMAN ALBERT EINSTEIN Źródła: http://www.porownaj-laser.pl/laser.html oraz gim36.pl/prezentacje/jak_to_dziala/laser.pps

Wykorzystanie Laserów Źródło:3dcad.pl

Efekty wizualne • Lasery są wykorzystywane do tworzenia efektów wizualnych np. w spektaklach teatralnych, reklamach, koncertach i dyskotekach. • Tanie lasery diodowe są wykorzystywane jako wskaźniki podczas prezentacji dydaktycznych, konferencyjnych, reklamowych itp. Źródło: www.wikipedia.pl oraz www.x-beam.pl

Geodezja i budownictwo • Prostoliniowy bieg wiązki lasera wykorzystywany jest w pomiarach geodezyjnych (dalmierze), a także w budownictwie (poziomnice laserowe, generatory linii). Poziomica Laserowa Źródło: www.wikipedia.pl

Poligrafia • Lasery znalazły zastosowanie w nowoczesnej poligrafii: • w naświetlarkach filmów poligraficznych, • naświetlarkach offsetowych form drukowych, • w naświetlarkach zintegrowanych z maszyną drukarską, • w cyfrowych kserokopiarkach. • Po prawej stronie schemat budowy drukarki laserowej.  Źródło: www.wikipedia.pl oraz www.republika.pl

Technologia Wojskowa • Dalmierze laserowe, stosowane do oceny odległości od celu, wchodzą w skład systemów kierowania ogniem lub systemów rozpoznawczych czołgów i niektórych innych pojazdów bojowych, samolotów i śmigłowców, mogą być także przenośne. Na fotografiach wojskowy helikopter, który używa dalmierza laserowego oraz wiązka laseru używanego przez siły zbrojne USA. Źródło: www.wikipedia.pl

Technologia Wojskowa • W systemach naprowadzających cel jest oświetlany wiązką laserową, promieniowanie odbite jest emitowane praktycznie we wszystkich kierunkach (z uwagi na rozpraszanie wiązki na powierzchni). Pocisk rakietowy, artyleryjski lub bomba kierowana, wyposażony w czujnik laserowy, określa źródło odbitej wiązki, i za pomocą układów elektronicznych naprowadza się na podświetlony cel. • Podobne zastosowanie ma laserowy wskaźnik celu, lecz w tym przypadku laser wskazuje cel, a operator broni (strzelec) samodzielnie naprowadza promień lasera na cel. Źródło: www.wikipedia.pl

Technologia Wojskowa • Systemy laserowe są zdolne do uwalniania skoncentrowanej energii w postaci wiązki świetlnej w bardzo krótkim przedziale czasu. Powoduje to, iż cała energia jest wyzwalana w bardzo krótkim czasie, co przy prędkości światła powoduje, iż praktycznie jest niemożliwe uniknięcie trafienia z takiej broni. Laser jako broń energetyczna jest najmniej rozpowszechniony - dopiero wprowadzany jedynie w USA na platformach powietrznych (Airborne Laser), aczkolwiek jest jednym z ulubionych tematów twórczości science-fiction. Lasery mniejszej mocy stosowane są też do niszczenia układów optycznych pojazdów. Na fotografii Airborne Laser Źródło: www.wikipedia.pl

Technologia Wojskowa • Mierniki głównie w lotnictwie wojskowym takie jak: wysokości (altimetry); • -składowych szybkości gazu (aneometry), • -przyspieszenia, • -szybkości lotu. Na fotografii radar US. Army wykorzystujący Technologię laserową  Źródło: www.wikipedia.pl oraz www.dws.org.pl

Dane INFORMACYJNE