ملتقى الفيزيائيين العرب - سلسلة المُساعد(35- 44): شرح ومناقشة " الفيزياء الذرية "

الليزر

تعريفها :
هي عبارة عن أعداد هائلة من الفوتونات ذات التردد الواحد .

معناها :

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Laser00.jpg

( الليزر laser ) كلمة إنجليزية تمثل الأحرف الأولى لجملة : تكبير الضوء عن طريق الأنبعاث المستحث بالإشعاع .

رؤيتها :
منها المرئي ومنها غير المرئي ( لأن ترددات أشعة الليزر تقع بين الأشعة تحت الحمراء وبداية الأشعة فوق البنفسجية ).

كيف تعمل الليزرات ؟
لفهم كيف تعمل الليزرات ينبغي علينا إدراك المفاهيم التالية :
الذرة المُستقرة – الذرة المُثارة - الانبعاث التلقائي – الانبعاث المستحث .

- الذرة المُستقرة :
- تتكون الذرة من نواة موجبة الشحنة ويدور حولها إلكترون أو أكثر في عدد من الأغلفة تسمى " مستويات الطاقة " ، وتعتبر الذرة مستقرة إذا كانت إلكتروناتها في مستوياتها الطبيعية.

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Laser18.jpg

- إذا أخذنا ذرة الهيدروجين كمثال فإن الإلكترون يدور في مستوى الطاقة الأقرب إلى النواة ، والذي يُسمى " المستوى الأرضي " ، ويرمز له بـ ( ط 1 ) ، ويمكث الإلكترون في هذا المستوى زمن غير محدد.

- الذرة المُثارة :

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Laser04.jpg

- إذا سقط على الذرة - وهي في حالة استقرارها – فوتون طاقته ( ط2 – ط1 ) [ أي الطاقة الكافية لنقل الإلكترون من المستوى الأول إلى المستوى الثاني ] فإن الإلكترون يمتص هذه الطاقة لينتقل من مستوى الطاقة الأرضي إلى مستوى إثارة أعلى وهي مستوى الطاقة الثاني ، وتبقى الذرة فترة محددة من الزمن ( حوالي 10^-8 ث ) ،

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Laser13.jpg

- ملاحظة : لكل مستوى إثارة فترة زمنية لمكوث الإلكترون فيها تختلف من مستوى لآخر ، وتتميز بعض المستويات بأن لها فترة زمنية طويلة لمكوث الإلكترون فيها ، تسمى " المستويات شبه المستقرة " .

- الانبعاث التلقائي :
- عندما تكون الذرة مُـثارة ثم يعود الإلكترون إلى وضعه الطبيعي بشكل تلقائي ( بدون مؤثرات خارجية ) فإنه يُطلق ( يبعث ) فوتون طاقته ( ط2 – ط1 ) ، ونسميّ هذا الانبعاث بـ ( الانبعاث التلقائي ) .

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Laser05.jpg

- أمثلة على الانبعاث التلقائي :
جميع المصادر الضوئية كمصباح بخار الصوديوم أو بخار الزئبق أو النيون ، حيث أن ملايين الانبعاثات التلقائية تحدث فينتج عنها ضوء تكون فوتوناته غير مترابطة .
ملاحظة : طاقة الفوتون الـمُنبعث تساوي طاقة الفوتون الذي سبب الإثارة .

مما سبق نستخلص تعريفا للانبعاث التلقائي :
هو انطلاق فوتونات من ذرة مثارة عند انتقالها من مستوى طاقة عالي إلى مستوى طاقة أقل تلقائيا .

- الانبعاث المستحث :
- عندما تكون الذرة مُـثارة ويسقط عليها فوتون فإن الذرة لا تمتص طاقة هذا الفوتون بل تبعث فوتونان ، الفوتون الأول هو الفوتون الساقط ، والفوتون الثاني وهو المُنبعث بسبب حالة الإثارة في الذرة .

- يتميّز الفوتونان بأن لهما نفس التردد والطور فيتولد شعاع قوي بالغ الشدة ، ونسميّ هذا الانبعاث بـ ( الانبعاث المستحث ) .

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Laser16.jpg

[flash=http://www.phys4arab.net/uploood/naser/atomic18.swf]WIDTH=500 HEIGHT=400[/flash]
http://www.phys4arab.net/uploood/naser/atomic18.swf

[flash=http://www.phys4arab.net/uploood/naser/atomic19.swf]WIDTH=500 HEIGHT=400[/flash]
http://www.phys4arab.net/uploood/naser/atomic19.swf

- أمثلة على الانبعاث المستحث : الليزر ، حيث أن ملايين الانبعاثات المستحثة تحدث فينتج عنها ضوء تكون فوتوناته مترابطة .

الخلاصة :

مما سبق نستخلص تعريفا للانبعاث المستحث فنقول أنه:
هو انطلاق فوتونات من ذرة مثارة عند سقوط فوتونات عليها وهي في حالتها المُثارة .
و يتطلب الانبعاث المستحث وجود :
1 – ذرة مثارة 2 – سقوط فوتونات على هذه الذرة

محاكاة جافا :

أروع محاكاة لفهم الليزر ، تفضل بتحميله من الرابط التالي :

http://phet.colorado.edu/sims/lasers/lasers.jnlp
( يجب أن تكون متصلا بالنت عند تشغيله )

وهذه صور محاكاته لطريقة عمل الليزر :

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Laser01.jpg

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Laser02.jpg

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Laser03.jpg

وما يلي مقطع فيديو لكيفية التعامل مع هذه المحاكاة

http://www.phys4arab.net/uploood/naser/Laser1.rar