Курсовая работа: Ефекти ехо-камери та перспективи їх практичного використання
Вище були розглянуті лише прості види діаграм для деяких процесів. Ці діаграми не вичерпують всіх можливостей. Кожну з простих діаграм можна доповнити безконечним числом діаграм, що усе більш ускладнюються, включають все більше число вершин. Наприклад, приведену на мал. 1 "нижчу" діаграму Комптон-ефекту можна ускладнювати, вибираючи довільно пари крапок на електронних лініях і сполучаючи ці пари хвилястою фотонною лінією, оскільки число проміжних (віртуальних) фотонних ліній не лімітоване.
Взаємодія частки з вакуумом електромагнітного поля.
На приведених графіках взаємодії двох електронів (мал. 2 і 3) кожен з фотонів породжується одним і поглинається ін. електроном. Проте можливий і ін. процес: фотон, випущений електроном в крапці 1, через деякий час поглинається ним же в крапці 2. Оскільки обмін квантами обумовлює взаємодію, то такий графік також одній з простих діаграм взаємодії, але лише взаємодії електрона з самим собою, або, що те ж саме, з власним полем. Цей процес можна також назвати взаємодією електрона з полем віртуальних фотонів, або з фотонним вакуумом (остання назва визначається тим, що реальних фотонів тут немає). Т. о., власне електромагнітне (електростатичне) поле електрона створюється випусканням і поглинанням (цим же електроном) фотонів. Такі взаємодії електрона з вакуумом обумовлюють експериментально спостережувані ефекти (що свідчить про реальність вакууму). Найзначніший з цих ефектів — випромінювання фотонів атомами. Згідно квантовій механіці, електрони в атомах розташовуються на квантових енергетичних рівнях, а випромінювання фотона відбувається під час переходу електрона з одного (вищого) рівня на іншій, що володіє меншою енергією. Проте квантова механіка залиша відкритим питання про причини таких переходів, що супроводяться так званим спонтанним ("мимовільним") випромінюванням; більш того, кожен рівень виглядає тут як сповна стійкий. Фізичною причиною нестійкості збуджених рівнів спонтанних квантових переходів, згідно До. т. п., є взаємодія атома з фотонним вакуумом. Образно кажучи, взаємодія з фотонним вакуумом трясе, розгойдує атомний електрон — адже при випусканні і поглинанні кожного віртуального фотона електрон випробовує поштовх, віддачу; без цього електрон рухався б стійко по орбіті (ради наочності, приймемо цей напівкласичний образ). Один з таких поштовхів заставляє електрон "впасти" на стійкішу, тобто що володіє меншою енергією, орбіту; при цьому звільняється енергія, яка йде на збудження електромагнітного поля, тобто на утворення реального фотона.
Те, що взаємодія електронів з фотонним вакуумом обумовлює саму можливість переходів в атомах (і в ін. випромінюючих фотони системах), а значить, і випромінювання, це найбільший по масштабу і за значенням ефект в квантовій електродинаміці.
2.3 «Площа» імпульсів і їх вплив на атом
Спочатку коротко розглянемо моменти імпульсу електронів і атомів, визначувані по класичній електронній теорії. Отже:
1. Електрон, рухаючись по орбіті довкола ядра, володіє механічним орбітальним моментом мпульсу, де m, v – маса і швидкість електрона. При цьому вектор перпендикулярний орбіті електрона.
2. Рух електрона по орбіті відповідає протіканню деякого орбітального струму, який визначає магнітний орбітальний момент,, де I – електронний струм, S – площа витка струму (орбіти електрона). Визначимо:,, тут е – заряд електрона, T період звернення електрона по орбіті. Тоді. Слід врахувати, що також перпендикулярний орбіті електрона, але вектора і направлені в протилежн сторони. Механічний і магнітний орбітальні моменти електрона зв'язан вираженням
Тут це гіромагнітне (магніто–механічне) відношення орбітальних моментів електрона.
3. Орбітальний механічний момент імпульсу атома дорівнює геометричній (векторною) сум орбітальних моментів всіх електронів атома:, Z – число електронів.
4. Орбітальний магнітний момент імпульсу атома дорівнює геометричній (векторною) сум магнітних моментів всіх електронів атома:. Вочевидь, що зберігається співвідношення
Тепер розглянемо електронні і атомні моменти з точки зору квантової механіки. Хронологічно першими експериментами по вивченню магнітних моментів атома, що виявляються в магнітних полях, були досліди П. Зєємана (1896 г). Було виявлено, що якщо помістити джерело світла (електромагнітного випромінювання) між полюсами електромагніту, то спектральні лінії джерела розщеплюються на декілька компонент. Явище розщеплювання спектральних ліній, а отже і енергетичних рівнів, переходи між якими забезпечують випромінювання, в зовнішньому магнітному полі отримало назву ефекту Зеемана. Розрізняють нормальний аномальний ефекти Зеемана.
Нормальний ефект Зеемана спостерігається в сильних магнітних полях.
При приміщенні джерела випромінювання з частотою н0 (л0) в магнітне поле, направлене паралельно напряму поширення випромінювання, спостерігається випромінювання з двома симетричними відносно початкової н0 частотами: н-1 н+1. Випромінювання з початковою частотою н0 при цьому не відбувається:.
Якщо досліджуване випромінювання поширюється перпендикулярно вектору магнітного поля, то випромінювання з н0 симетрично розщеплюється на три компоненты: н-1, н0 і н+1.
Нормальний ефект Зеемана був пояснений Лоренцем по класичній електронній теорії. У зовнішньому магнітному полі вектори і електрона в атомі обертаються (процесують) з кутовою швидкістю, якою відповідає частота. Тут – напруженість зовнішнього магнітного поля связанна з вектором магнітної індукції співвідношенням. При цьому вектори і описують співісні конічні поверхні із загальною вершиною в центрі орбіти і остюком, паралельним вектору. Такий рух векторів і моментів електрона і відповідної електронної орбіти в атомі в зовнішньому магнітному полі називається прецессией Лармора.
Різниця частот між спектральними лініями при нормальному ефекті Зеемана опинилася рівною якраз Ларморової частоті Дн = н+1.– н0 = н0 – н-1.
Величина називається магнетоном Бору і позначається, тоді можна записати, чтоДн =. С.313 Детлаф РИС
Аномальний ефект Зеемана спостерігається в слабких магнітних полях і полягає в розщеплюванні кожної спектральної лінії випромінювання на безліч компонент.
При цьому зовнішнє магнітне поле вважається слабким, якщо взаємодія між орбітальним магнітним моментами електрона в атомі сильніше, ніж взаємодія кожного з цих моментів або із зовнішнім магнітним полем. Тому саме аномальний ефект Зеемана виявляє взаємодію між власними внутрішніми моментами електрона в атомі. Із збільшенням напруженості магнітного поля взаємодія між внутрішніми моментами електрона стає все менш істотною в порівнянні з їх взаємодією із зовнішнім магнітним полем. Розщеплювання спектральних ліній при цьому зростає, сусідн лінії поступово починають зливатися, і залишається 2 або 3 частоти випромінювання залежно від взаємного напряму магнітного поля і випромінювання.
3. Загальна характеристика явища фотонної луні та його експериментальне спостереження
3.1 Якісній розгляд. Аналогія зі спіновою луною
Звичайний простий виклад виходить в тих випадках, коли обговорюваному явищу удається знайти аналог в повсякденному житті. Для безвідрадзної луні таким аналогом може служити наступний приклад. Уявимо собі забіг на довгу дистанцію. Відразу після старту всі бігуни біжать щільною купою, тобто мають, кажучи по-науковому, близькі значення просторових координат. Проте з часом найбільш треновані бігуни підуть вперед, а аматори порушувати спортивний режим відстануть, і відмінност в їх координатах стануть помітними. Але тут з'ясовується, що старт був дан не в ту сторону. Слідує команда “круг”, після якої бігуни продовжать свою дорогу в протилежному напрямі, так що найбільш швидкі з них виявляться в положенні тих, що доганяють. Допустимо, що співвідношення швидкостей учасників забігу після такої команди збережеться, тоді через час, рівний інтервалу від моменту старту до команди “круга”, вони всі дружно пересічуть лінію старту, тобто матимуть однакові значення координати відносно цієї лінії.
Тепер опишемо цей же епізод, але по-науковому. При купчастому переміщенні можна говорити про узгодженість руху бігунів. Проте за давньою традицією слова в науковій термінології прийнято замінювати іноземними, найчастіше англійськими. Але з англійською мовою є проблеми, на які звернув увагу ще німецький письменник Курт Тухольський: ця мова складається з одних іноземних слів, які до того ж неправильно виголошуються. Так от, якщо узяти англійський варіант слова узгодженості” і виголосити його правильно, то вийде термін “когерентність”. З точки зору цього поняття описаний вище процес змагання можна розглядати як розпад когерентності по координаті до команди “круга” і її відновлення після.
Ріс.3.1 Схематичне зображення процесів, що забезпечують формування спінової луни.
Такого типа процес розпаду і відновлення когерентності на дрібніших об'єктах, магнітних моментах ядер, удалося реалізувати в 1950 р. американцеві Е.Хану [3]. Як всякі магнітні моменти їх можна змалювати у вигляді векторів M, орієнтованих уздовж магнітного поля H. Стартовим сигналом для векторів M є імпульс поперечного змінного магнітного поля, що відхиляє їх від напряму H. Подібно похило поставленій дзизі, що процесує довкола вертикальної осі, нахилен вектори M процесують довкола H з так званою частотою Лармора, залежною від величини H.
Відразу після стартового імпульсу вектори M паралельні, що відповідає когерентності їх прецесій по фазі. Така фазова когерентність характеризується сумарною компонентою намагніченості m, що обертається довкола поля H з частотою. За законами електромагнетизму змінне магнітне поле, пов'язане з m, створює змінне електричне поле, збуджуюче електричний струм в приймальному пристрої.
Хан добився того, аби даний струм убував з часом, що на рис.3,б змальовано за допомогою хвоста, наступного за стартовим імпульсом. У експерименті це досягалося за рахунок неоднорідностею поля H, із-за яких частоти в різних точках зразка опинялися різними. Тому вектори M, процесу є з різними швидкостями, врешті-решт рівномірно розподілялися по поверхні конуса прецесії. Виходить хаотичний розподіл фаз прецесій, тобто фазової когерентності немає. При такій взаємній орієнтації векторів M змінна складова m=0, відповідно відсутній і струм в приймачі.
При зміні знаку поля H напрям прецесії M міняється на протилежний, що відповіда команді “кругу” в розглянутому вище прикладі. Технічно це здійснюється за допомогою імпульсу перемагнічування, який подається у момент часу t1, коли фазова когерентність втрачена. Після зміни напряму прецесії починається відновлення фазової когерентності. Вона повністю відновиться через час t1 після мпульсу перемагнічування, як і в разі прикладу з бігунами. Разом з фазовою когерентністю відновиться і змінна складова намагніченості m, а отже, і сигнал в приймачі. Саме цей сигнал Хан назвав спіновою луною, оскільки він обумовлений ядерними магнітними моментами спинів. Його тривалість визначається часом розпаду фазової когерентності, тобто довжиною хвоста після стартового імпульсу.
Збуджен атоми
Якщо замість магнітних дипольних моментів ядер “залучити до роботи” дипольн електричні моменти атомів, аналогом ехо-камери спину буде ехо-камера фотонна. На перший погляд відмінність між цими сигналами виглядає як чисто кількісне. Частоти прецессий ядерних спинів лежать в радіочастотної області, відповідно метровим радіохвилям, тоді як частоти коливань дипольних електричних моментів атомів відносяться до оптичного діапазону, тобто вище в мільйони разів. Але з точки зору квантової механіки це кількісна відмінність наводить до якісно через те, що енергія оптичного фотона (згідно формулі Планка E = h?, де h - постійна Планка) в ті ж мільйони разів більше енергії радіочастотного фотона.
В разі ехо-камери спинової луни випромінювана енергія складає нікчемну долю від повної енергії ядерних спинів, тому її можна не враховувати при описі їх поведінки на всіх етапах формування ехо-камера-сигналу. Енергетика фотонно ехо-камери виглядає зовсім інакше. Досить сказати, що самі дипольні електричн моменти, на яких формується ехо-камера-сигнал, створюються стартовим імпульсом. (Атом в “звичайному” стані дипольним моментом не володіє, а набуває його під дією зовнішнього електричного поля, переходячи в збуджений стан.) Тому енергія поглиненого фотона не може бути менше енергії інших взаємодій за участю збудженого атома. До речі, про поглинені фотони. Звичайна модель з їх зникненням при поглинанні не дозволяє описати появу фотонів при випромінюванні, коли атом “знімає” своє збудження. Більш того, опис фотонів як об'єктів, рухомих із швидкістю світла, неможливо без використання спеціальної теор відносності. Розділ фізики, що об'єднав квантову механіку і спеціальну теорію відносності, отримав назву квантової електродинаміки (скорочено КЕД).
У КЕД електрони і фотони не можуть існувати окремо. Кожен електрон обов'язково оточений хмарою фотонів, а кожен фотон - хмарою з пар електрон-позитрон. Якщо бути послідовними, то в цю схему слід було б включити інші елементарні частки (баріони, мезони, інші лептони і так далі), але такий вихід за межі КЕД в рамках однієї статті нам не здолати. Тут у нас немає можливості до кінця розібратися навіть з КЕД. Річ у тому, що кожен фотон, маючи рівну нулю масу спокою, може існувати, лише рухаючись із швидкістю світла.
Фотонна (світлова) ехо-камера або просто фотон-ехо-камера - нелінійний оптичний ефект, який також дозволяє здійснити звернення часу в системі атомних часток: атомів, молекул газу і рідини, домішок в кристалах, на екситонах напівпровідників нших випадках. Це одне з найкрасивіших когерентних явищ, яке складає основу цілого напряму в сучасній оптиці і лазерній техніці - оптичній ехо-камера-спектроскопії [1]. Фотонна ехо-камера є проявом взаємодій ультракоротких світлових імпульсів з речовиною - газами, середовищами, що конденсують, плазмою - і в даний час широко застосовується для дослідження кінетичних процесів релаксації елементарних збуджень в твердих тілах. Воно також володіє своєрідною оптичною пам'яттю і може служити основою для зберігання, обробки і передач великих масивів інформації. Фізичне єство цього явища полягає в наступному.
Хай в нашому розпорядженні є джерело ультракоротких лазерних імпульсів і відповідне резонансне середовище. Наприклад, це може бути лазер на фарбниках, що працює в мпульсному режимі, і кристал рубіна (кристал корунду Al2O3 з домішками іонів хрому Cr3 +). Частота лазерного випромінювання підбирається так, щоб бути резонансною (майже збігатися по величині) до деякого атомного переходу іона хрому. Саме цей матеріал використовувався в перших експериментах по виявленню вивченню фотон-ехо-камери. Довжина хвилі оптичних імпульсів l = = 0,635 мкм, що відповідало фотонам енергії E = hn > 1,9 эВ. Ці фотони могли резонансно поглинатися тривалентним іоном хрому, що заміщає атом алюмінію в кристалічній решітці корунду, тобто вони переводили хром в збуджений стан, віддалений від основного рівня на енергію фотона. Тривалість лазерних імпульсів складала 15-20 нс. Час життя збудженого стану біля Т1 = 20 мкс, що перевершувало тривалість мпульсів в 1000 разів і дозволяло впливати багато разів на іон хрому в його збудженому стані. В даний час використовуються ще більш ультракороткі світлов мпульси аж до декількох фемтосекунд (10-15 с).
Якщо через кристал рожевого рубіна (він містить хром як домішку в кількості 0,005% по масі) пропустити два послідовні світлові імпульси з приведеними вище параметрами і інтервалом між імпульсами t < Т1, то в системі домішкових онів хрому формується когерентний стан, який в результаті свого розпаду висвічує новий оптичний когерентний імпульс - сигнал двохімпульсної фотонно ехо-камери. Таким чином, це явище аналогічно явищу спин-ехо-камери. Відмінність полягає в діапазоні електромагнітного поля випромінювання: спінова-ехо-камера реалізується в радіодіапазоні, фотонна ехо-камера - в оптичному нфрачервоному діапазонах довжин хвиль. У радіодіапазоні зазвичай довжина хвил набагато перевершує розміри зразків резонансного середовища, тоді як при світлових довжинах хвиль ситуація зворотна: l! l, де l - товщина кристала рубіна. Це наводить до нових властивостей фотонної ехо-камери в порівнянні із спином - виникає певна спрямованість ехо-камера-сигналу.
3.2 Експеріментальне дослідження явища
Дослідження по спектроскопії домішкових неврегульованих твердотілих систем методом фотонно ехо-камери (ФЕ) були початі в лабораторії електронних спектрів в 1990 році. Ц дослідження сталі можливі в результаті розробки (Ю.Г. Вайнер, 1989-1990 рр.) методики низькотемпературних вимірів часів оптичного дефазування і швидко спектральної дифузії в домішкових стеклах методом некогерентного ФЕ (НФЕ) створення експериментальної установки. Вже перші виміри на створеній установц привели до виявлення (одночасно з групою американських дослідників (L.R. Narasimhan et al, Chem. Phys. Lett. v.176, N3,4 (1991)) спектральної дифуз [1-3]Наносекунди, важливому для розуміння природи елементарних низькочастотних збуджень в стеклах експериментальному факту. В даний час проводяться систематичні експериментальні і теоретичні дослідження по динаміці домішкових стекол з використанням двох різновидів техніки ФЕ: НФЕ з широкосмуговим лазерним джерелом і двохімпульсного пікосекундного ФЕ (2ФЭ).
