Fizika za studente Geodezije i geomatike Dualna priroda elektromagnetnog zračenja Princip rada lasera Docdr Ivana Stojković
Istorijski razvoj shvatanja prirode svetlosti Korpuskularna teorija svetlosti (Njutnova) svetlost je skup čestica (lat korpuskula=čestica) objašnjava pravolinijsko prostiranje svetlosti, refleksiju i prelamanje Talasna teorija svetlosti (Hajgensova) po Hajgensu, svetlost je longitudinalni talas koji se prostire kroz etar (hipotetička supstanca koja prožima ceo prazan prostor), Hajgensov princip svaka tačka prostora pogođena talasom postaje i sama izvor sfernih sekundarnih talasa koji se prostiru u svim pravcima objašnjava neka talasna svojstva svetlosti Nakon eksperimentalne potvrde interferencije svetlosti bilo je zaključeno da je svetlost talas Neuspesi Maksvelove elektromagnetne teorije Maksvelova teorija uspešno objašnjava EM talase koje emituju Herz-ove antene (frekvencija od 1 Hz-100 GHz), ali za opseg IC, vidljivih, UV, X- i γ- zraka (frekvencija 10 11 10 23 Hz) nije adekvatna! Prvi problem je nastao u tumačenju emisionog spektra apsolutno crnog tela, a drugi u primeni klasičnog zakona emisije antene na kretanje elektrona u atomu (po Raderfordovom modelu atoma)
Zračenje apsolutno crnog tela Kada elektromagnetno zračenje pada na površinu nekog tela dolazi do njegove apsorpcije, refleksije i transmisije (prolaska kroz materijal): znači da je intenzitet upadnog snopa I 0 jednak zbiru intenziteta apsorbovanog (I a ), reflektovanog (I r ) i transmitovanog (I t ) dela snopa I 0 I a I t I a I 0 + I r I 0 + I t I 0 = 1 a λ,t + r λ,t + t λ,t = 1 Apsorpciona moć, refleksiona moć i transparencija zavise od talasne dužine zračenja i od temperature tela Zavisnost a λ,t, r λ,t od talasne dužine uslovljava boju tela koje se osvetljava! Ako neko telo reflektuje crvenu boju, a sve ostale apsorbuje, onda će takvo telo biti crvene boje kada se osvetli svetlošću koja sadrži crvenu boju Telo koje savršeno apsorbuje sve talasne dužine elektromagnetnog zračenja koje padaju na njega je idealno crno telo ili apsolutno crno telo, a λ,t = 1 Ono tu energiju istovremeno reemituje nazad u prostor oko sebe U suštini, takvo telo ne postoji u prirodi I r apsolutno crno telo - velika zatvorena šupljina sa malim otvorom, kada zračenje uđe brojnim refleksijama se potpuno apsorbuje
F λ, T [W/m 3 ] Zakoni zračenja apsolutno crnog tela Sva tela, na bilo kojoj temperaturi, emituju elektromagnetno zračenje to je tzv termičko (toplotno) zračenje Na datoj temperaturi T intenzitet elektromagnetnih talasa koje emituje bilo koje telo zavisi od talasne dužine λ (vidljivi deo spektra dominira na nižim, a IC deo dominira na višim temperaturama) Emisiona moć tela e λ,t : energija koju telo emituje sa jedinice površine u jedinici vremena u intervalu talasnih dužina λ, λ + dλ 1 Kirhofov zakon zračenja odnos emisione i apsorpcione moći tela ne zavisi od njegove prirode i za sva tela je neka univerzalna funkcija talasne dužine i temperature: Spektar zračenja crnog tela (eksperimentalno utvrđen) Za apsolutno crno telo: e λ,t = F λ, T jer a λ,t = 1 e λ,t a λ,t 1 = e λ,t a λ,t 2 = e λ,t a λ,t 3 e λ,t a λ,t = F(λ, T) Objašnjenje: ako npr imamo izolovani sistem od tri tela koja istovremeno emituju i apsorbuju EM talase: posle nekog vremena će sva tri biti na istoj - ravnotežnoj temperaturi, s tim da telo koje više emituje, više će i apsorbovati energije
Zakoni zračenja apsolutno crnog tela 2 Štefan-Bolcmanov zakon Ukupna energija koju zrači crno telo na svim frekvencijama tj na svim talasnim dužinama (u jedinici vremena sa jedinične površine), dakle snaga zračenja, zavisi samo od temperature crnog tela srazmerna je četvrtom stepenu temperature: I = σt 4 σ = 567 10 8 W m 2 K 4 Štefan-Bolcmanova konstanta 3 Vinov zakon pomeranja - Sa porastom temperature tela, maksimum intenziteta zračenja (λ max ) se pomera u oblast manjih talasnih dužina (tj u oblast većih frekvencija ν) λ max = b T b = 29 10 3 K m Vinova konstanta
Ultraljubičasta katastrofa - drugi oblačak na vedrom nebu fizike na kraju 19veka (Lord Kelvin) - Rejli i Džins su pokušali da objasne eksperimentalnu krivu intenziteta elektromagnetnog zračenja apsolutno crnog tela Oni su njegove atome poistovetili sa oscilatorima (naelektrisane čestice električnim dipolima) koji pri svom oscilatornom (ubrzavajućem) kretanju stvaraju elektromagnetno zračenje Energija oscilatora kontinualno zavisi od temperature (dakle, atomi mogu imati bilo koju vrednost energije): E = k B T (k B - Bolcmanova konstanta) Njihov rezultat je kriva F λ, T koja nema maksimum i koja pokazuje poklapanje sa eksperimentom samo u oblasti niskih frekvencija (velikih talasnih dužina), ali ne i u oblasti kraćih ν (prema njihovom izvođenju, u UV-oblasti bi zračenje tela trebalo biti beskonačno, što je u istoriji nauke nazvano UV katastrofom ) Ultraljubičasta katastrofa predviđanje Rayleigh Jeansovog zakona Klasična fizika - prema kojoj atom koji izvodi harmonijsko oscilovanje frekencijom ν i može kontinuirano menjati svoju energiju - ne može objasniti spektar zračenja crnog tela, dakle, klasična fizika svojim zakonima ne može objasniti pojave u mikrosvetu atoma i molekula
Plankova hipoteza (1900) početak kvantne fizike Atom ne može primiti ili emitovati bilo koju malu količinu energije, nego samo određenu količinu (KVANT) energije ili umnoške tog kvanta Energija atoma je diskretna, a ne kontinuirana! Atom zrači EM zračenje u obliku kvanata energije čija je energija proporcionalna frekvenciji zračenja: E = nhν, n = 0, 1, 2, h = 6 62 10 34 J s Klasična fizika: Energija je neprekidna promenljiva i klasični harmonijski oscilator može imati bilo koju vrednost energije, od nule do maksimalne celi broj n naziva se kvantni broj E max Plankova konstanta Kvantni harmonijski oscilator (atomi, molekuli) može imati samo određene diskretne vrednosti energije; (0, hν, 2hν, 3hν ) Energija ovakvog sistema je kvantovana Dozvoljena stanja energije nazivaju se kvantna stanja Max Planck (1858-1947) Na visokim temperaturama, Plankova formula za F λ, T prelazi u Rejli Džinsovu funkciju Uvođenjem hipoteze o kvantovanju energije oscilatora (atoma crnog tela) uspešno su objašnjeni eksperimentalni rezultati za funkciju F λ, T raspodele intenziteta crnog tela, dobijeno je potpuno poklapanje sa eksperimentalnim podacima u celom spektru talasnih dužina!
Spektri atoma - Razređeni gasovi i pare metala, pri dovoljno visokim temepraturama počinju da emituju diskretni - linijski spektar talasnih dužina Objašnjenje spektra koje danas imamo na osnovu poznavanja strukture atoma: u cevi u kojoj se izaziva električno pražnjenje nalazi se razređen gas vodonika Elektroni u atomima vodonika zbog električnog pražnjenja dobijaju energiju, odlaze na viša, pobuđena stanja, i nakon vraćanja u osnovno stanje, emituju tu razliku energija, koja se na fotografskoj ploči vidi kao linija tačno određene boje, tj talasne dužine Nakon niza ovakvih eksperimenata (oko 1900), fizičari su počeli da traže objašnjenje nastanka spektara Visok napon Električni luk Pukotina Razređen gas vodonika Prizma zbog disperzije odvajaju se emitovane linije Detektor: fotografska ploča - S druge strane, užarena čvrsta tela, tečnosti i gasovi pri visokom pritisku i temperaturi emituju kontinualni spektar: svetlost s kontinualnim talasnim dužinama
Emisioni spektri vodonika, žive i neona: Emisioni i apsorpcioni spektri su jedinstveni za svaki element!!! Ideja: proučavajući linijske spektre atoma (elemenata) saznati više o strukturi atoma Kako je moguće odrediti hemijski sastav zvezda? Spektralnom analizom svetlosti koja dolazi s tih zvezda, jer svaki element emituje samo njemu karakterističan spektar talasnih dužina! Npr, helijum je prvi put otkriven na Suncu analizom složenog spektra fotona koji odande stižu na Zemlju Apsorpcioni spektar vodonika dobijen kada se bela svetlost propusti kroz razređeni gas vodonika, uočite tamne linije na istim talasnim dužinama koje emituje i razređeni gas vodonika Dakle, emisioni i apsorpcioni spektar nekog elementa su recipročni: jer te talasne dužine koje element emituje kada se zagreje, njih će i apsorbovati ukoliko kroz njega propustimo belu svetlost sa svim talasnim dužinama
Rutherford-Geiger-Marsdenov eksperiment otkriće atomskog jezgra Činjenicu da gasovi i pare metala, kada se dovoljno zagreju, emituju diskretan linijski spektar, trebalo je nekako objasniti na osnovu strukture atoma Prvi model atoma (Thompsonov model): atom je pozitivna sfera u koju su utaknuti negativni elektroni Da bi preciznije ispitali strukturu atoma, bombardovali su 1909 tanke listiće zlata α-česticama (to su zapravo pozitivne čestice - jezgra helijuma koja se sastoje od 2 protona i 2 neutrona) i posmatrali su promenu njihovog smera pri prolasku kroz zlatnu foliju Merenja su zapanjujuće pokazala da se otprilike 1 u 8000 α-čestica rasejavala pod vrlo velikim uglom (preko 90 ), dok su ostale čestice prolazile (gotovo) bez rasejanja Thomsonovim modelom se ne mogu objasniti rezultati ovog eksperimenta! Iz eksperimentalnih podataka Rutherford je dobio da je prečnik jezgra oko 10-15 metara, 10 5 puta manji od prečnika atoma Najveći deo atoma je prazan! Fluorescentni zaklon Listić zlata Izvor α-čestica Rasejane čestice Nerasejane čestice
Raderfordov model atoma (1911) Dinamički (planetarni) model atoma - elektroni kruže oko jezgra kao planete oko Sunca i naelektrisanje jezgra Z jednako je naelektrisanju svih elektrona prema Maksvelovoj klasičnoj elektrodinamici, ubrzano kretanje elektrona oko jezgra znači i stalnu emisiju energije u obliku elektromagnetnih talasa sa frekvencijom jednakom frekvenciji kruženja elektrona Pri tom bi elektron gubio energiju te se u spiralnoj putanji približavao jezgru Stalno smanjenje radijusa putanje značilo bi i stalno povećavanje frekvencije kruženja (to bi značilo da se emituje kontinualni spektar!) dok na kraju elektroni ne bi pali na jezgro! Po klasičnoj fizici ispada da je atom nestabilan i emituje kontinualan spektar, što je sasvim suprotno od eksperimentalno utvrđene stabilnosti atoma i linijskog spektra koje zrače atomi Izračen EM talas sa sve kraćim λ Borov model atoma (1913) Nils Bor je kombinovao Raderfordov planetarni model atoma sa idejama Planka i Ajnštajna o kvantovanju (diskretnosti) energije atoma i elektromagnetnog zračenja, što je rezultovalo definisanjem postulata kojima se opisuje atom
Borovi postulati 1 Elektron se kreće oko atomskog jezgra u kružnim putanjama stacionarnim orbitama, pod delovanjem privlačne Kulonove sile, a u skladu s Njutnovim zakonima kretanja Krećući se dopuštenom putanjom (stacionarno stanje), elektron ne zrači niti apsorbuje energiju 2 m e v n F centripetalna = F Kulonova = 1 e Ze r n 4πε 0 r 2 n 2 Dopuštene su samo orbite za koje je moment količine kretanja elektrona celobrojni umnožak h/2π, tj moment količine kretanja je KVANTOVANA veličina, može imati samo diskretne vrednosti: L n = m e v n r n = n h n = 1, 2, 3 kvantni broj orbite 2π 3 Sve dok je elektron vezan u atomu, može primiti samo iznose energije koji su jednaki razlici energija između dva stacionarna stanja, dakle, može apsorbovati foton energije: hν = E n E m (apsorpcijom kvanta elektron prelazi sa m, niže putanje na n, višu putanju) Elektron može i spontano prelaziti iz stanja više energije (pobuđenog stanja) u stanje niže energije i pri tome emituje kvant svetlosti energije: hν = E n E m (elektron prelazi sa n, više putanje na m, nižu putanju, uz emisiju kvanta)
Linijski spektar atoma vodonika prema Borovom modelu Iz Borovog modela dobijaju se teorijski izrazi koji su identični empirijskim izrazima za linijski spektar vodonika! Teorijska vrednost Ridbergove konstante R H je u izvrsnom slaganju s njenom empirijskom vrednošću Talasna dužina fotona koji se emituje pri prelazu elektrona iz pobuđenog n-tog na neki niži m-ti energetski nivo: 1 λ = R H 1 m 2 1 n 2 n = m + 1, m + 2, R H = 1097 10 7 m 1 Ridbergova konstanta Energija jonizacije energija koju treba utrošiti da se elektron koji se nalazi u kvantnom stanju n dovede u stanje n = kad mu je energija E = 0 tj da se otrgne iz atoma i postane slobodan: E = 136 ev n 2, 1 ev = 16 10 19 J Borov model uspešno opisuje i spektre atoma sličnih atomu vodonika tj onih atoma koji su jonizovani tako da u njima kruži samo jedan elektron npr He +, Li ++, Be +++ E m E n E m E n Energija fotona E n E m = hν = h c λ Energija fotona Ekscitacija (pobuđenje elektrona na viši nivo) apsorpcijom fotona E = hν E n E m = hν = h c λ Deekscitacija (vraćanje elektrona u osnovno stanje) emisijom fotona E = hν
Kvantno-mehanički model atoma (višeelektronskih) elemenata Borova teorija nije konzistentno ni klasična ni kvantna teorija,objašnjava neke pojave, ali nema jasnog fizičkog tumačenja zašto su putanje elektrona kvantovane Pretpostavlja postojanje jednog kvantnog broja n kojim se određuje orbita i energija elektrona Šredinger (ESchrödinger) je, razmatrajući elektron kao talas materije, došao do jednačine njegovog kretanja Položaj elektrona u atomu se ne može potpuno sigurno odrediti, već se može govoriti samo o većoj ili manjoj verovatnoći nalaženja elektrona u nekom delu prostora oko jezgra Kvantovanost proizlazi iz rešenja te talasne jednačine, a stanje elektrona u atomu opisuju 4 kvantna broja: n glavni kvantni broj određuje ukupnu energiju atoma, n = 1, 2, 3, ; l orbitalni kvantni broj određuje moment impulsa (količine kretanja) koji elektroni poseduju zbog orbitalnog kretanja, l = 0, 1, 2,, n 1 m l orbitalni magnetni kvantni broj određuje ponašanje elektrona u atomskoj orbiti u primenjenom spoljašnjem magnetnom polju, koje utiče na njegovu energiju, m l = l,, 2, 1, 0, 1, 2,, l ; m s spinski magnetni kvantni broj određuje spinski moment impulsa koji elektroni poseduju zbog spina, spin je fundamentalno svojstvo elektrona koje se nikad ne menja, za elektron m s može imati dve vrednosti, m s = ± 1 2
Teorija o nastanku atomskih spektara Energetski nivo svakog stanja višeelektronskog atoma zavisi od glavnog n i od orbitalnog l kvantnog broja Raspored elektrona po kvantnim stanjima naziva se elektronska konfiguracija atoma Elektroni se kreću po elektronskim ljuskama (omotačima, koje karakteriše glavni kvantni broj n K, L, M, N, O, P, ljuske) i podljuskama (koje karakteriše orbitalni kvantni broj l u okviru nje su tzv s, p, d, f, orbitale) Atomski spektri su posledica prelaska elektrona između različitih elektronskih energetskih stanja okarakterisanih kvantnim brojevima Princip zabrane (Volfgang Pauli 1925): U atomu dva elektrona ne mogu imati iste vrednosti sva 4 kvantna broja (n, l, m l, m s ), tj ne mogu se naći u istom kvantnom stanju Utvrđeno je da atom ne može emitovati zračenje prelaskom sa bilo kojeg početnog na bilo koje krajnje stanje Za neke parove stanja, takvi prelazi su zabranjeni, a za neke dozvoljeni Složenim proračunima su dobijena opšta pravila koja ukazuju na moguće prelaze elektrona To su tzv pravila izbora
Doplerov efekat kod EM talasa Posmatramo samo slučaj da se izvor svetlosti i posmatrač kreću relativno jedan u odnosu na drugog, a ne u odnosu na sredinu kao kod mehaničkih talasa (pošto za prostiranje EM talasa i nije potrebna materijalna sredina) Primenom Lorencovih transformacija prostora i vremena dobija se frekvencija svetlosti koju registruje prijemnik: ν = ν 0 1 ± v c 1 v c za slučaj v c ν ν 0 1 ± v c Relativistički izraz se razlikuje od klasičnog za Doplerov efekat kod mehaničkih talasa! Prema pomeranju spektralnih linija koje emituju nebeska tela (u odnosu na spektre istih elemenata snimljene na zemlji) izvodi se zaključak o brzini tih tela u odnosu na Zemlju, a na osnovu Doplerovog efekta i crvenog pomaka zaključeno je i da se Vasiona širi! frekvencija svetlosti koju registruje prijemnik se povećava ako se izvor i prijemnik približavaju (dakle, talasna dužina se smanjuje, odnosno pomera ka manjim PLAVI POMAK u analiziranom spektru), a smanjuje se ako se izvor i prijemnik udaljavaju (dakle, talasna dužina se povećava, odnosno pomera ka većim CRVENI POMAK u analiziranom spektru)
Fotoelektrični efekat K A Kada svetlost pada na metalnu površinu uzrokuje emisiju elektrona s te površine (otkrio Herc 1887) Metalnu katodu K osvetljavamo svetlošću, ona izbacuje elektrone koje prikuplja metalna ploča A (anoda) s naponom U između K-A ploča Osetljivi ampermetar meri fotoelektričnu struju Zaključci: za visoke napone struja dostiže maksimum (saturaciju) jer su svi fotoelektroni s ploče K prikupljeni na A Veći intenzitet upadne svetlosti ( I a ) daje veću struju nego manji ( I b ) Smanjivanjem napona na U = 0, struja ne pada na nulu jer najbrži fotoelektroni imaju dovoljnu E k da stignu na A Negativan napon smanjuje struju fotoelektrona jer ih A odbija (pošto je polaritet ploča tada zamenjen) Napon U 0 između elektroda K i A zaustavlja sve fotoelektrone i I = 0, bez obzira na intenzitet svetlosti Ti fotoelektroni imaju najveću E k max = eu 0 E k max ne zavisi od intenziteta svetlosti U 0 U U
Problemi s klasičnom teorijom i eksperimentalnim činjenicama: 1 E k max = eu 0 ne zavisi od intenziteta svetlosti Povećavanjem intenziteta upadne svetlosti dobija se samo povećan broj fotoelektrona, a ne i njihova kinetička energija Talasna teorija zahteva da vektoru električnog polja EM talasa raste amplituda s povećanjem intenziteta upadne svetlosti Budući je sila na elektron F = ee, to znači da bi E k fotoelektrona morala takođe rasti sa intenzitetom upadne svetlosti Zavisnost zakočnog napona U 0 (ili E k max ) od frekvencije 2 Pokazano je da za svaki materijal postoji njemu karakteristična frekvencija praga ν g ispod koje se fotoefekat ne događa, bez obzira na intenzitet svetlosti (odnosno postoji maksimalna talasna dužina svetlosti koja može izazvati fotoefekat, tzv crvena granica fotoefekta) Za ν > ν g, fotoefekat se odvija i U 0 je proporcionalan s frekvencijom Prema talasnoj teoriji, fotoefekat se mora dogoditi za svetlost bilo koje frekvencije tj bilo koje λ, uz uslov da je intenzitet svetlosti dovoljan za izbacivanje fotoelektrona 3 Maksimalna kinetička energija fotoelektrona E k max raste linearno s porastom frekvencije svetlosti Talasna teorija ne predviđa nikakvu zavisnost između frekvencije svetlosti i energije fotoelektrona 4 Elektroni se emituju s površine metala gotovo trenutno (za manje od 10-9 s), nikada nije izmereno kašnjenje u vremenu izbacivanja elektrona i početka osvetljavanja metala Prema klasičnoj teoriji, za svetlost dovoljno slabog intenziteta mora postojati merljivo vreme potrebno da elektron skupi dovoljno energije i tek potom napusti metal ν g
Fotoelektrični efekat Ajnštajnovo objašnjenje Albert Einstein 1905 objašnjava fotoefekt (za što je 1921 dobio Nobelovu nagradu) Ajnštajn je proširio Plankov koncept kvantovanja energije elektromagnetnih talasa Pretpostavio je da se svetlost sastoji od malih paketa energije (fotona) vrednosti E = hν (h - Plankova konstanta, ν - frekvencija svetlosti, jednaka frekvenciji Plankovog oscilatora) U Ajnštanovom modelu foton svu svoju energiju može dati samo jednom elektronu u metalu Maksimalna energija oslobođenog fotoelektrona je E k max = hν A i gde je A i izlazni rad potreban da se elektron izbaci iz orbitale atoma metala Različiti materijali imaju različite granične frekvencije ν g i izlazni rad A i E k max = hν A i, eu 0 = E k max Napon obezbeđuje potencijalnu energiju jednaku stečenoj kinetičkoj energiji fotoelektrona eu 0 = hν A i U 0 = h e ν A i e Iz koeficijenta pravca eksperimentalno dobijene prave zavisnosti zakočnog napona od frekvencije U 0 = f ν moguće je bilo odrediti h (jer je do tada već bilo poznato elementarno naelektrisanje e) h je određena iz dve potpuno različita pojave i teorije (Plank i Ajnštajn) i dobijeno je savršeno poklapanje! E k max = hν A i A i Odsečak na y-osi daje izlazni rad, a na x-osi daje graničnu frekvenciju ν g
fotoni u sudaru sa vezanim elektronom u metalu deo energije predaju za vršenje izlaznog rada iz metala (izbijanje elektrona), a ostatak energije predstavlja kinetičku energiju elektrona Relacija hν = A i +E k max = A i + m e v 2 max 2 predstavlja zakon održanja energije! Ovim tumačenjem se svetlosti pripisuju korpuskularna (čestična) svojstva, iako se ovde radi o kvazi-čestici, čestici bez mase, koja postoji samo pri kretanju Sada se mogu objasniti rezultati eksperimenata koji su nerazumljivi sa stajališta klasične fizike: 1 E k max zavisi od frekvencije svetlosti i izlaznog rada; intenzitet svetlosti nije bitan i ne utiče na brzinu fotoelektrona Što je veći intenzitet svetlosti biće samo više fotona u snopu pa će veći broj elektrona biti izbijen iz atoma (i izmerena struja će biti veća) 2 Fotoelektroni nastaju apsorpcijom jednog fotona, tako da energija fotona mora biti veća od izlaznog rada potrebnog da se elektron oslobodi pozitivnog uticaja atomskog jezgra, inače nema izbačenih fotoelektrona; to objašnjava minimalnu frekvenciju (prag frekvencije ν g odnosno crvenu granicu fotoefekta): hν g = A i (u ovom slučaju je E k max = 0 ) 3 E k max (i brzina izbačenih elektrona) rastu s porastom frekvencije E k max = hν A i 4 Elektroni se emituju gotovo trenutno, bez obzira na intenzitet, jer je energija svetlosti koncentrisana u paketima - kvantima (a ne raspršena u talasima)
Spoljašnji fotoefekat (kod metala) fotoelektroni imaju dovoljnu energiju da izađu u spoljašnji prostor Unutrašnji fotoefekat (kod dielektrika i poluprovodnika) elektroni ne napuštaju materijal, već se samo pobuđuju u viša energetska stanja i povećavaju provodljivost materijala Primena fotoefekta u tehnici: fotoćelije i fotomultiplikatori (prevođenje promena intenziteta svetlosti u promene intenziteta električne struje), fotootpornici (fotoćelije čije se dejstvo zasniva na promeni otpornosti poluprovodnika pod dejstvom svetlosti, to su pločice od izolatora na kojoj je nanešen tanak sloj nekog poluprovodnika), solarne ćelije (vrše konverziju energije sunčevog zračenja u električnu energiju), Digitalne kamere i noćni dvogled (night vision scopes) konvertuju svetlost u električni signal koji se rekonstruiše u sliku (svetlost udara u ploču i pri tome se izbacuju elektroni koji prolaze kroz tanak disk u kojem se nalazi milion tankih kanala Struja u svakom kanalu se pojačava i usmerava na ekran koji svetli kada se pogodi elektronom)
Umesto zaključka: šta je svetlost (odnosno, šta je EM talas)? Koncept čestice - U jednoj tački prostora može biti samo jedna čestica - čestica je lokalizovana fizička pojava - Čestica se opisuje masom, količinom kretanja - Klasična fizika razmatra elektron, proton, atome kao čestice, a zvuk i svetlost kao talase Koncept talasa - Talas je nelokalizovana pojava - istovremeno može postojati u svim tačkama sredine u kojoj se širi - U istoj tački prostora može u načelu biti istovremeno beskonačno mnogo talasa što se očituje u interferenciji Postoje pojave koje se jedino mogu protumačiti talasnom prirodom svetlosti (npr interferecija, difrakcija), kao i pojave (npr fotoelektrični efekat) koje se mogu protumačiti samo čestičnom prirodom svetlosti Zračenje je čestične prirode pri interakciji s materijom, a talasne prirode pri širenju Talasna i čestična priroda svetlosti dva suštinski različita koncepta, iako paradoksalno zvuči, međusobno se nadopunjuju kažemo da svetlost tj zračenje ima DUALNU PRIRODU Kvantna fizika je teorija mikrosveta koja se temelji na konceptima koji se razlikuju od našeg mišljenja o tome kakva bi priroda trebala biti i od našeg iskustva o fizici makrosveta oko nas
LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ili optički kvantni generator Reč LASER je akronim za termin Pojačanje svetlosti stimulisanom emisijom zračenja Posmatramo šta se dešava kada foton nailazi na atom a ima energiju jednaku razlici energija dva nivoa u atomu, hν = E n E m Moguća su dva procesa, spontana i stimulisana emisija: 1 Atom apsorbuje kvant svetlosti i prelazi u pobuđeno stanje n, na kom boravi od 10-9 do 10-7 s i zatim spontano prelazi iz pobuđenog n-tog u osnovno m-to stanje i emituje foton proizvoljne orijentacije i u proizvoljnom trenutku 2 Ako je elektron već bio u pobuđenom stanju n (možemo reći da je time i atom bio pobuđen) u trenutku nailaska fotona, tada će elektron preći u osnovno stanje uz emisiju fotona iste energije, pravca, smera, faze i ravni polarizacije kao upadni foton koji je inicirao proces Emitovanje fotona je dakle stimulisano prisustvom istog takvog fotona (upadnog fotona)
Princip rada LASER-a Osobine laserskog svetlosnog snopa: monohromatski, koherentan, velike snage (1 mw - 1 MW) i izvanredno kolimisan (usmeren: veličina spota ima dimenziju 01-1 mm) Spontana emisija daje nekoherentno zračenje, a stimulisana daje koherentno zračenje Da li će dominirati spontana ili stimulisana emisija zavisi od toga koji je nivo više naseljen elektronima, da li osnovni m-ti ili pobuđeni n-ti Na sobnoj temperaturi u nekom materijalu ogromna većina atoma je u osnovnom stanju, a mali broj u pobuđenom Takva pojava se naziva normalna naseljenost Inverzna naseljenost je pojava da se u nekom materijalu ogromna većina atoma nalazi u pobuđenom stanju, a mali broj u osnovnom stanju i tada materijal predstavlja jezgro lasera Optičko pumpanje je prevođenje atoma aktivne sredine iz osnovnog u pobuđeno stanje pod uticajem spoljašnjeg izvora zračenja radi bržeg umnožavanja broja fotona laserskog snopa Metastabilna stanja su energetska stanja u kojima atom može da boravi znatno duže vreme od uobičajenog koje iznosi oko 10-8 s Da bi se ostvarila stimulisana emisija neophodno je ispuniti dva uslova : treba ostvariti inverznu naseljenost i pobuđena stanja atoma moraju biti metastabilna Osnovni delovi lasera: aktivna sredina (radno telo) u kojoj se postiže inverzna populacija, izvor zračenja za pobuđivanje aktivne sredine, sistem za pojačavanje stimulisanog zračenja (ogledala), sistem za hlađenje
Ogledalo R=100% Princip rada LASER-a Ogledalo R=96%, T=4% 1 Atomi se nalaze u osnovnom stanju (plave tačke) 2 Materijal spolja osvetljavamo blic-lampom velike snage, atomi radnog tela apsorbuju tu svetlost i pobuđuju se (ljubičaste tačke), dakle, optičkim pumpanjem se postiže inverzna naseljenost energetskih nivoa u atomima 3 Pobuđeni atomi spontano, u svim pravcima, emituju fotone, a fotoni koji mogu izazvati stimulisanu emisiju (oni koji se kreću normalno na ravan ogledala) višestruko se reflektuju o ogledala Fotoni emitovani u svim drugim pravcima se neznatno pojačavaju i izlaze iz radne supstance 4 Umnožava se broj fotona koji izazivaju stimulisanu emisiju, i tako pojačan snop delom izlazi kroz polupropustiljivo ogledalo (na slici je to desno ogledalo) čiji je koeficijent transparencije T svega nekoliko procenata 5 Dobija se koherentan snop laserske svetlosti velike snage zračenja i izvanredno kolimisan
Princip rada LASER-a Ogledalo R=100% Ogledalo R=96%, T=4% Pri stimulisanoj emisiji, emitovani foton doprinosi povećanju gustine fluksa elektromagnetnog zračenja koje je dovelo do emitovanja tog fotona! Sistem ogledala za pojačavanje stimulisanog zračenja: od dva paralelno postavljena ogledala, jedno ima koeficijent refleksije 100% i ima ulogu da nastale fotone ponovo vrati u aktivnu sredinu u kojoj se nastavlja pobuđivanje Drugo ogledalo je polupropusno (refleksija 90-99%) i ono najvećim delom vraća fotone u aktivnu sredinu da nastave pobuđivanje, ali delimično fotoni i prolaze kroz njega nakon niza refleksija i čine laserski zrak Ova ogledala (tzv rezonatorski sistem ) strogo usmeravaju dobijen laserski zrak, a višestrukim refleksijama se multipliciraju fotoni pa se snaga zračenja povećava
Podela lasera Možemo izvršiti nekoliko klasifikacija lasera: 1 Prema vrsti materijala od kojeg je napravljen izvor čvrstotelni laseri (sa čvrstim jezgrom), gasni laseri, poluprovodnički laseri, tečni laseri, hemijski laseri, laseri na bojama, laseri na parama metala, laseri na slobodnim elektronima 2 Prema režimu rada: kontinualni laseri i impulsni laseri 3 Prema vrsti pumpe (za pobudu radne zapremine) koja se koristi: optički pumpan laser, laser pumpan električnim putem, laser pumpan jednosmernim naponom, laser pumpan naizmeničnim naponom, laser pumpan električnim pražnjenjem, laser pumpan hemijskim reakcijama, nuklearno pumpan laser 4 Prema oblasti spektra u kojoj se emituje zračenje: laseri u vidljivom delu spektra, laseri u bliskoj infracrvenoj oblasti, laseri u dalekoj infracrvenoj oblasti i X-laseri (zračenje u X-oblasti)
Primena LASER-a Laseri se zbog kvaliteta emitovane svetlosti danas primenjuju u gotovo svim ljudskim delatnostima: U industriji - obrada papira, tekstila, metala U vojnoj tehnici - nišanjenje i obeležavanje ciljeva U holografskim tehnikama - za dobijanje prostorne slke U informacionim tehnologijama - prenos signala, CD-uređaji, uređaji za očitavanje bar-kodova u prodavnicama Merenje velikih rastojanja (npr Zemlja-Mesec) Za upravljanje robotima U medicini - za obradu i rezanje tkiva Za rezanje, bušenje i varenje (laseri sa čvrstim jezgrom)
Primena lasera u geodeziji - primer http://wwwevrogeomatikacors/pdf/laserskoal timetrijskosnimanje_gspdf Sistem za snimanje iz vazduha, LiDAR sistem (LIght Detection and Ranging), relativno nov način za prikupljanje podataka koji obezbeđuje veliki broj informacija o objektima na površini zemlje kao i o zemljišnim oblicima sa velikom gustinom trodimenzionalnih koordinata tačaka, omogućavajući visoki kvalitet predstavljanja snimljene površine LiDAR je rezultat integracije tri tehnologije u jedan sistem, laserski skener, globalni pozicioni sistemi (GPS) i inercijalni navigacioni sistem (Inertial Navigation System INS) FLI-MAP (Fast Laser Imaging and Mapping Airborne Platform), je akronim za brzo lasersko altimetrijsko snimanje koridora sa video i foto snimanjem visoke rezolucije, za prikupljanje i obradu podataka i za izradu kartografskih podloga iz helikoptera Reflektujući deo laserskog zraka se snima uz pomoć senzora (prijemnika) koji se nalazi pored lasera, a vremenska razlika između emitovanja signala i prijema refleksije daje dužinu između helikoptera i tačke na tlu Kako se pozicija, odnosno položaj u prostoru i trajektorija kretanja helikoptera tačno određuju za svaki momenat impulsne transmisije, mogu biti izračunate precizne trodimenzionalne koordinate svake tačke koja je pogođena emitovanim laserskim signalom
Završetak kursa iz fizike! Uslovi za izlazak na ispit: urađene i overene laboratorijske vežbe, potpis profesora i pečat laboratorije u indeksu Termini ispita su objavljeni na sajtu FTN-a: http://wwwftnunsacrs/n1651975244/geodezija-i-geomatika Tačno vreme i sala biće poznati tek dva-tri dana pred ispit i objaviće ih studentska služba na oglasnoj tabli za smer Geodezija i geomatika
Reference Deo celokupnog materijala sa slajdova je preuzet iz više kurseva opšte fizike: dr sc Damir Lelas, materijal sa predavanja (Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Splitu) dr Fedor Skuban, materijal sa predavanja (Prirodno-matematički fakultet, Univerzitet u Novom Sadu) Lj Budinski-Petković, Fizika, FTN izdavaštvo, Novi Sad, 2013 Ivan Nestorov i dr, Lasersko altimetrijsko snimanje (http://wwwevrogeomatikacors/pdf/laserskoaltimetrijskosnimanje_gspdf)