دانلود مقاله بررسی ماهیت نور و ارتباط آن با پدیده لیزر

فصل اول

بررسی ماهیت نور و ارتباط آن با  پدیده لیزر

1-1- ماهیت نور

یونانی ها اولین کسانی هستند که کوشیدند طبیعت نور و چگونگی دیدن را توضیح دهند، بعد از آن، ظهور علوم تجربی دو نظریه مترادف را به ارمغان آورد. یکی از آنها نطریه ذره‌ای نیوتن بود که نور را متشکل از باریکه‌ای از ذرات دانسته که این ذرات تابع قوانین حرکت می‌باشند. نظریه دیگر نظریه موجی هوک و هویگنس است که طبیعت موجی را برای نور پیشنهاد  کردند. پذیرش هر نظریه مستلزم توجیه پدیده‌های نور مانند انعکاس، تداخل ، شکست، پراش، فتوالکتریک، جذب و گسیل و ... می‌باشد و هر نظریه قادر است بعضی از پدیده های ذکر شده را توجیه کند برای مثال پدیده تداخل اولین بار توسط یانگ در سال 1801 ارائه شد که فقط با در نظر گرفتن نظریه موجی قابل توضیح است. پدیده پراش با توجه به اصل هویگنس و ایجاد موجک‌های ثانوی فقط بر اساس نظریه موجی قابل توجیه است که ایشان پیشنهاد  کرد که پلاریزاسیون نور فقط به دلیل عرضی بودن امواج نور اتفاق می‌افتد و از این رو نتیجه می شود که ارتعاشات امواج نور بر امتداد انتشار آنها عمود است برخلاف امواج صوتی که به صورت طولی بوده و امتداد ارتعاش ذرات محیط در امتداد انتشار امواج صوتی است. با پیشرفت علم و فهم بیشتر طبیعت نور، ماکسول در سال 1864 به این نتیجه رسید که نور به مانند امواج الکترومغناطیس است که دارای سرعت ، فرکانس  و طول موج  می‌باشد. امروزه برای ما کاملا ثابت شده که امواج نور از دو مولفه میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم تشکیل شده اند و  جهت انتشار امواج عمود بر امتداد ارتعاش این دو است.

در جدول 1-1 انواع امواج الکترومغناطیس و مشخصات آنها آورده شده است . گستره امواج مشخص شده در جدول شامل نواحی مختلفی است که مرز مشخصی برای آنها وجود ندارد.

در سال 1887 هرتز موفق به تولید امواج الکترومغناطیس نامرئی شد. امروزه ما امواج الکترومغناطیس با فرکانس‌های بین  را می‌شناسیم.

اما پدیده‌های همچون فتوالکترویک، جذب و گسیل، توسط نظریه موجی نور قابل توجیه نیست.

در پدیده فتوالکتریک تابش نور برخورد کننده به سطح فلز الکترون‌های آزاد می‌کند، رها شدن الکترون وقتی اتفاق می‌افتد که فرکانس پرتو تابش به حد کافی بالا باشد برای مثال در حالی که نور بسیار قوی قرمز قادر به ایجاد فوتوالکترون نیست نور آبی با شدت کم قادر به تولید فوتوالکترون است.

چرا که انرژی  جنبشی کافی دارد. بر اساس نظریه ذره‌ای نور در سال 1905 انیشتین به سادگی پدیده فتوالکتریک را  توجیه کرد. ایشان نور برخورد کننده را متشکل از بسته های کوچک انرژی یا ذراتی به نام فوتون در نظر گرفت که انرژی هر فوتون متناسب با فرکانس آن است. E=hv که h ثابت پلانک و v فرکانس می‌باشد فوتون برخورد کننده می‌تواند انرژی خود را به یک الکترون بدهد و بر نیروی فتوالکتریک نیست، نه می‌تواند علت عدم تولید فوتوالکترون ها را وقتی نور قرمز با شدت زیاد به کار برده می‌شود توضیح دهد و نه گسیل خود به خودی الکترون‌ها وقتی که چشمه مناسب نور به کار گرفته می‌شود. بنابراین به نظر می‌رسد هر دو نظریه رقیب در مورد نور ، نه تنها مخالف هم نبوده بلکه مکمل یکدیگر  می‌باشند و ما بایستی هر دوی آنها را بپذیریم، مادامیکه نور ، با نور برهم کنش انجام می‌دهد مانند پدیده تداخل نور ما نظریه موجی نور را در نظر می‌گیریم و وقتی که نور با ماده برهم کنش دارد مانند پدیده فوتوالکتریک ما نظریه ذره‌ای نور را به کار می‌بریم، این وضعیت به آنچه که طبیعت دو گانه تابش نامیده می‌شود منجر می‌گردد.

1-2 – گسیل و جذب نور

اینشتین اثر فوتوالکتریک را بر اساس کارهای قبلی پلانک توجیه نمود و نظریه کوانتومی نور برای بیان چگونگی تابش جسم سیاه  را ارائه کرد. پلانک گسیل امواج الکترومغناطیس را به نوسان کننده هائی در داخل جسم سیاه نسبت داد که ایجاد میدان الکتریکی می‌کنند. فرض مهم این است که این نوسان کننده ها می‌توانند مقادیر انرژی معینی را داشته باشند و این انرژی مضرب صحیحی از E=hv است. مطلی که پلانک معرفی نموده امروزه به نظریه کوانتومی معروف است. اهمیت نظریه کوانتومی در بحث ما این است که سیستم های اتمی دارای ترازهای انرژی مجزا یا حالت های انرژی مجزا هستند.

در سال 1823 نشان داده شد که هر عنصر اتمی یک طیف مشخصی را تولید می‌کند لیکن توضیح آن تا سال 1913 بوسیله بوهر میسر نشد، بوهر نظریه‌ای  ارائه داد که او را قادر ساخت طول موج طیف ساده ترین اتم ها یعنی هیدورژن را پیش بینی کند. او مدل اتمی را در فورد رابه  کار  برد که در آن مدل، اتم از یک هسته سنگین با بار مثبت به وسیله تعدادی بارهای منفی به نام الکترون احاطه شده تشکیل شده است و اتم های هر جسم دارای تعداد معینی الکترون می‌باشند، برای توضیح این که چرا الکترون ها نمی‌توانند جذب بار  مثبت هسته شوند او فرض کرد که الکترون ها روی مدارهائی به دور هسته مانند حرکت سیارات به دور خورشید در حرکت هستنمد. نیروهای جاذبه‌ای که احتیاج است تا الکترون بر روی مدار معینی باقی بماند با توجه به  جاذبه کولنی هسته مثبت روی الکترون منفی تامین می‌گردد و می‌توانیم بنویسیم:

V, e,m جرم،‌بار و سرعت الکترون و r شعاع مدار و نفوذپذیری در خلاء است. بوهر فرض کرد تنها الکترون هیدروژن مجاز است فقط مدارهای معینی را اشغال کند. وقتی که الکترون در یکی از این مدارهای مجاز یا حالت پایه قرار دارد هیچ اثری توسط  اتم ساطع نمی شود. هر یک از این مدارهای مجاز به یک تراز معین یا حالت انرژی معی مربوط می‌شوند. برای توضیح خطوط طیفی هیدروژن ، بوهر فرض کرد که الکترون و به طبع اتم، با حرکت از یک مدار با انرژی بالاتر ( دوتر از هسته) به یک مدار با انرژی کمتر ( نزدیک تر به هسته ) انرژی از دست می‌‌دهد. این انرژی به صورت یک فوتون با انرژی hv است که  

که در این رابطه  به ترتیب انرژی الکترون قبل و بعد از انتقال است از آنجائی که مدارهای متعدد و مجزایی وجود دارند بنابراین انتقالات مختلفی نیز ممکن است انجام شود از این رو اتم هیدروژن فرکانس های مختلفی را می تواند  گسل دارد. (شکل 1-1)

به طور کلی هر اتم تمایل دارد در حالت های انرژی پایین تر قرار گیرد. از این رو برای ایجاد طیف اتم هیدروژن لازم است الکترون ها را با تحریک کردن به ترازهای بالاتر بفرستیم. این عمل با حرارت و یا برخورد با الکترون های دیگر در لوله تخلیه الکتریکی و یا به کمک تابش با طویل موج های مناسب انجام پذیر است. هر طول موجی که توسط اتم در حالت تحریک گسیل می شود میتواند توسط آن وقتی که در  ترازهای پایین انرژی قرار دارد جذب شود.

البته فوتون های برخورد کننده باید خیلی نزدیک به اختلاف انرژی بین دو تراز انرژی اتمی درگیر باشد. در این حالت جذب تشدیدی نامیده می‌شود. به روش مشابهی بوهر قادر بود که خطوط طیفی دیگر اتم های چند الکترونی را  که طیف پیچده‌تری  دارند توضیح دهد. نظریه بوهر توصیف خوبی از حالت اتم بر پایه فیزیک کلاسیک و فیزیک مدرن که اساسا بر فیزیک کوانتومی استوار است، به دست می‌دهد. فیزیک کوانتومی برای هر الکترون در اتم  چهار عدد کوانتومی تعریف میکند. این چهار عدد را می‌توان مختصات و مشخصه های الکترون  تعریف کرد که انرژی آن را به کمک آنها می‌توان به دست آورد. درست مثل مختصات هندسی که برای تعیین محل یک نقطه مادی به کار گرفته می‌شود. تعیین مقادیر مجاز این اعداد کوانتومی تعیین انرژی‌های الکترون‌‌ها ر در هر اتم به کمک این اعداد مقدور می‌سازد به علاوه طول موج‌هایی که توسط اتم منتشر می‌شوند را می‌توان پیش بینی کرد.

قابل توجه است که فوتون ها وقتی ایجاد می شوند که یک الکترون بین دو تراز انرژی کاملا معین انتقال یاد وانرژی فوتون ها نیز کاملا معین است وقتی فرکانس و طول موج مربوط به فوتون ها مقدار ثابت و معینی باشد می‌گوییم تابش تکفام است. برای اتم های پیچیده که دارای ترازهای الکترونی زیاد هستند تعداد زیادی از حالات ممکن است به طوری که طول موج های مختلف گسیل یا جذب شوند. بسته به اینکه الکترون ها اصولا در حالت های انرژی بالا ( تحریک شده ) و یا درحالت های انرژی  پایین باشند پدیده های جذب و گسیل اتفاق می‌افتد.

1-3- برهمکنش تابش نور و ماده

اتمی را در نظر بگیرید که فقط دارای دو تراز انرژی باشد تراز بالایی را  و تراز پایینی را  می‌نامیم. در شرایط عادی اتم در تراز پایین قرارمی‌گیرد  چرا که سیستم ها همیشه در حالت مینیمم انرژی پایدارتر هستند. اگر اتم در تراز پایین تحت تاثیر تابش با فرکانس  قرار گیرد، داریم:

اتم با جذب این فوتون تحریک شده و به تراز بالاتر   می‌رود این فرآینمد به فرآیند جذب  برانگیخته موسوم است. (شکل 1-2- ب)

این اتم بلافاصله ( معمولا پس از چند  نانو ثانیه) بعد از تحریک شدن به تراز بالاتر، با گسیل فوتونی با انرژی  به تراز انرژی پایین‌تر باز می گردد که به این فرآیند، فرآیند گسیل برانگیخته یا گسیل تحریگی می‌گویند. (شکل 1-2- ج)

اما اگر اتم ابتدا در  تراز  باشد و با گسیل فوتونی به تراز  افت کند به این پدیده گسیل خود به خودی می‌گویند. (شکل 1-2-د)

دونکته بسیار مهم در ارتباط با گسیل تحریکی وجود دارد که خواص  نور لیزر به آن بستگی پیدا می‌کند. اول آن که فوتونی که با گسیل برانگیخته ایجاد می‌شود دارای همان انرژی فوتون برانگیزنده یا تحریک کننده است. بنابراین امواج ایجاد شده دارای  همان فرکانس خواهند بود.

دوم آن که امواج نوری مربوط به دو فوتون ایجاد شده هم فاز و همچنین دارای پلاریزاسیون مشابه بوده  بنابراین همدیگر را تقویت و دامنه آنها افزایش می‌یابد پس  ما امکان تقویت نور به وسیله گسیل‌های تحریکی تابش که در واقع همان نور لیزر است خواهیم داشت.

در کسیل خود به خودی، اتم ها کاملا به بصورت اتفاقی گسیل کرده و رابطه خاصی بین امواج اتم ها وجود نداشته بنابراین تابش‌ها غیر همدوس بوده و همدیگر را تقویت نمی‌کنند. در شرایط معمولی تعادل گرمایی، گسیل خود به خودی در ناحیه مرئی طیف الکترومغناطیس، از اتم ها بسیار محتمل تر از گسیل برانگیخته می‌باشد. و تابش اکثر چشمه های نوری غیر همدوس است. بنابراین پدیده لیزر وقتی اتفاق می‌افتد که اتم را از حالت تعادل ترمودینامیکی خارج سازیم.