Przejdź do treściPrzejdź do informacji o dostępnościMenu skrótów klawiszowych
Logo OpenStax

Spis treści
  1. Przedmowa
  2. Optyka
    1. 1 Natura światła
      1. Wstęp
      2. 1.1 Rozchodzenie się światła
      3. 1.2 Prawo odbicia
      4. 1.3 Załamanie
      5. 1.4 Całkowite wewnętrzne odbicie
      6. 1.5 Rozszczepienie
      7. 1.6 Zasada Huygensa
      8. 1.7 Polaryzacja
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    2. 2 Optyka geometryczna i tworzenie obrazu
      1. Wstęp
      2. 2.1 Obrazy tworzone przez zwierciadła płaskie
      3. 2.2 Zwierciadła sferyczne
      4. 2.3 Obrazy tworzone przez załamanie promieni światła
      5. 2.4 Cienkie soczewki
      6. 2.5 Oko
      7. 2.6 Aparat fotograficzny
      8. 2.7 Proste przyrządy powiększające
      9. 2.8 Mikroskopy i teleskopy
      10. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
    3. 3 Interferencja
      1. Wstęp
      2. 3.1 Doświadczenie Younga z dwiema szczelinami
      3. 3.2 Matematyczny opis interferencji
      4. 3.3 Interferencja na wielu szczelinach
      5. 3.4 Interferencja w cienkich warstwach
      6. 3.5 Interferometr Michelsona
      7. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    4. 4 Dyfrakcja
      1. Wstęp
      2. 4.1 Dyfrakcja na pojedynczej szczelinie
      3. 4.2 Natężenie światła w dyfrakcji na pojedynczej szczelinie
      4. 4.3 Dyfrakcja na podwójnej szczelinie
      5. 4.4 Siatki dyfrakcyjne
      6. 4.5 Otwory kołowe i rozdzielczość
      7. 4.6 Dyfrakcja rentgenowska
      8. 4.7 Holografia
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
  3. Fizyka współczesna
    1. 5 Teoria względności
      1. Wstęp
      2. 5.1 Niezmienność praw fizyki
      3. 5.2 Względność jednoczesności zdarzeń
      4. 5.3 Dylatacja czasu
      5. 5.4 Skrócenie długości w szczególnej teorii względności
      6. 5.5 Transformacja Lorentza
      7. 5.6 Względność prędkości w szczególnej teorii względności
      8. 5.7 Relatywistyczny efekt Dopplera
      9. 5.8 Pęd relatywistyczny
      10. 5.9 Energia relatywistyczna
      11. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
    2. 6 Fotony i fale materii
      1. Wstęp
      2. 6.1 Promieniowanie ciała doskonale czarnego
      3. 6.2 Efekt fotoelektryczny
      4. 6.3 Efekt Comptona
      5. 6.4 Model atomu wodoru Bohra
      6. 6.5 Fale de Broglie’a
      7. 6.6 Dualizm korpuskularno-falowy
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
    3. 7 Mechanika kwantowa
      1. Wstęp
      2. 7.1 Funkcje falowe
      3. 7.2 Zasada nieoznaczoności Heisenberga
      4. 7.3 Równanie Schrӧdingera
      5. 7.4 Cząstka kwantowa w pudełku
      6. 7.5 Kwantowy oscylator harmoniczny
      7. 7.6 Tunelowanie cząstek przez bariery potencjału
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    4. 8 Budowa atomu
      1. Wstęp
      2. 8.1 Atom wodoru
      3. 8.2 Orbitalny magnetyczny moment dipolowy elektronu
      4. 8.3 Spin elektronu
      5. 8.4 Zakaz Pauliego i układ okresowy pierwiastków
      6. 8.5 Widma atomowe i promieniowanie rentgenowskie
      7. 8.6 Lasery
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
    5. 9 Fizyka materii skondensowanej
      1. Wstęp
      2. 9.1 Rodzaje wiązań cząsteczkowych
      3. 9.2 Widma cząsteczkowe
      4. 9.3 Wiązania w ciałach stałych
      5. 9.4 Model elektronów swobodnych w metalach
      6. 9.5 Teoria pasmowa ciał stałych
      7. 9.6 Półprzewodniki i domieszkowanie
      8. 9.7 Przyrządy półprzewodnikowe
      9. 9.8 Nadprzewodnictwo
      10. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    6. 10 Fizyka jądrowa
      1. Wstęp
      2. 10.1 Własności jądra atomowego
      3. 10.2 Energia wiązania jądra
      4. 10.3 Rozpad promieniotwórczy
      5. 10.4 Procesy rozpadu
      6. 10.5 Rozszczepienie jądra atomowego
      7. 10.6 Fuzja jądrowa
      8. 10.7 Skutki biologiczne i zastosowania medyczne promieniowania jądrowego
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    7. 11 Fizyka cząstek elementarnych i kosmologia
      1. Wstęp
      2. 11.1 Wstęp do fizyki cząstek elementarnych
      3. 11.2 Zasady zachowania w fizyce cząstek elementarnych
      4. 11.3 Kwarki
      5. 11.4 Akceleratory i detektory cząstek
      6. 11.5 Model standardowy
      7. 11.6 Wielki Wybuch
      8. 11.7 Ewolucja wczesnego Wszechświata
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
  4. A Jednostki
  5. B Przeliczanie jednostek
  6. C Najważniejsze stałe fizyczne
  7. D Dane astronomiczne
  8. E Wzory matematyczne
  9. F Układ okresowy pierwiastków
  10. G Alfabet grecki
  11. Rozwiązania zadań
    1. Rozdział 1
    2. Rozdział 2
    3. Rozdział 3
    4. Rozdział 4
    5. Rozdział 5
    6. Rozdział 6
    7. Rozdział 7
    8. Rozdział 8
    9. Rozdział 9
    10. Rozdział 10
    11. Rozdział 11
  12. Skorowidz nazwisk
  13. Skorowidz rzeczowy
  14. Skorowidz terminów obcojęzycznych

Cel dydaktyczny

W tym podrozdziale nauczysz się:
  • opisywać procesy fizyczne niezbędne do wytwarzania światła laserowego;
  • wyjaśniać różnicę między światłem spójnym i niespójnym;
  • na czym polega zastosowanie laserów w odtwarzaczach CD i Blu-Ray.

Laser (ang. laser ) jest urządzeniem, które emituje światło monochromatyczne i spójne. Światło jest spójne, jeśli fotony, które tworzą to światło, mają tę samą fazę, a monochromatyczne (ang. monochromatic light ), jeśli fotony mają tę samą, jedną częstotliwość (kolor). Gdy gaz w laserze absorbuje energię, elektrony w atomach gazu są wzbudzane na różne wyższe poziomy energetyczne. Większość elektronów natychmiast powraca do stanu podstawowego, ale niektóre pozostają w stanie wzbudzonym; taki stan nazywa się stanem metastabilnym (ang. metastable state ). Możliwe jest umieszczenie większości elektronów w atomach w stanie metastabilnym – sytuacja taka nazywa się inwersją obsadzeń (ang. population inversion ).

Gdy foton o odpowiedniej energii oddziałuje z elektronem w stanie metastabilnym (Ilustracja 8.28), elektron przechodzi („spada”) do stanu o niższej energii i emituje dodatkowy foton. W rezultacie oba fotony – wymuszający i wyemitowany – poruszają się razem. Proces ten nazywany jest emisją wymuszoną (ang. stimulated emission ). Występuje on ze stosunkowo dużym prawdopodobieństwem, gdy energia fotonu wejściowego jest równa różnicy między energią wzbudzonego i podstawowego poziomu energetycznego elektronu ( Δ E = h ν Δ E = h ν \prefop{\Delta}E=h\nu ). Stąd foton wymuszający przejście elektronu i foton wytwarzany mają taką samą energię, h ν h ν h\nu . Te dwa poruszające się razem fotony napotykają kolejne elektrony w stanie metastabilnym i proces się powtarza. Rezultatem jest kaskada (lub reakcja łańcuchowa) kolejnych aktów emisji wymuszonej. Światło lasera jest spójne, ponieważ w jego przypadku wszystkie fale świetlne mają taką samą częstotliwość (kolor) oraz tę samą fazę (dowolne dwa punkty w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku ruchu fali znajdują się w tym samym miejscu fali). Schemat spójnej i niespójnej fali świetlnej jest pokazany na Ilustracji 8.29.

Ilustracja pokazuje wzmocnienie światła w laserze. Liniami przerywanymi pokazano dwa stany energetyczne, leżące jeden nad drugim dla różnych chwil czasu. Elektrony będące w wyższym stanie, tak zwanym stanie metastabilnym przechodzi do stanu niższego. Fala o energii h f wymusza przejście elektronu do stanu o niższej energii. Emitowane są dwa fotony o tych samych energiach h f i są adsorbowane przez elektrony w stanach metastabilnych. Te elektrony przechodzą do stanów o niższych energiach, emitując cztery fotony o niższych energiach h f, które są adsorbowane przez kolejny, trzeci już zbiór elektronów. Te elektrony przechodzą na niższy stan energetyczny i emitują osiem fotonów o identycznych energiach h f.
Ilustracja 8.28 Fizyka lasera. Padający foton o częstotliwości ν ν \nu wywołuje kaskadę fotonów o tej samej częstotliwości.
Ilustracja wzoru fali światła spójnego i niespójnego. Światło spójne składa się z fali o tej samej długości, fazie i amplitudzie, stąd wszystkie linie szczyty i doliny się pokrywają. Światło niespójne składa się z fal o różnych długościach, fazach i amplitudach, stąd szczyty i doliny linii się nie pokrywają.
Ilustracja 8.29 Spójna fala świetlna zawiera fale o tej samej częstotliwości i tej samej fazie. Fala niespójna składa się z fal o różnych częstotliwościach i różnych fazach.

Lasery mają szeroki zakres zastosowań, np. w komunikacji (światłowodowe linie telefoniczne), w rozrywce (laserowe pokazy świetlne), w medycynie (usuwanie guzów i kauteryzacja naczyń w siatkówce) oraz w sprzedaży detalicznej (czytniki kodów kreskowych). Lasery mogą być wytwarzane z szerokiej gamy materiałów, w tym z gazów (gazowych mieszanin helu i neonu), jak również substancji stałych (na przykład z kryształu rubinu) i płynów (barwniki organiczne). Ostatnio laser został skonstruowany z zastosowaniem jadalnej żelatyny! Poniżej omówimy szczegółowo dwa praktyczne zastosowania laserów: odtwarzacze CD i Blu-Ray.

Odtwarzacz CD

Odtwarzacz CD (ang. CD player ) odczytuje cyfrową informację zapisaną na płycie kompaktowej (CD). Płyta CD to płyta o średnicy 12 cm 12 cm \SI{12}{\centi\metre} , zawierająca nośnik z tworzywa poliwęglanowego, na którego powierzchni znajdują się miliony mikroskopijnych wgłębień kodujących dane (Ilustracja 8.30). Wgłębienia te układają się w kształt bardzo cienkiej spirali, rozciągającej się w kierunku zewnętrznej krawędzi nośnika. Szerokość toru nie sięga 1 20 1 20 1/20 szerokości ludzkiego włosa, a wysokości wgłębień są jeszcze mniejsze. Płyta składa się z czterech warstw: warstwy nośnej z poliwęglanu (plastikowa tarcza), warstwy barwnej (topi się podczas zapisu), aluminiowej (lub złotej) warstwy odbijającej i ochronnej warstwy lakieru.

Obraz szczegółów płyty CD. Wiązka laserowa pada na dysk od dołu pod kątem prostym. Dysk składa się z trzech warstw. Dolna warstwa jest wykonana z poliwęglanu i posiada naprzemiennie rozłożone wgłębienia i wybrzuszenia. Cienka warstwa aluminium jest napylona na tę warstwę. Dysk pokryty jest warstwą lakieru, wypełniającego wgłębienia i wybrzuszenia i tworzącego gładką warstwę. Cały dysk, ma grubość 1.2 m m.
Ilustracja 8.30 Płyta kompaktowa jest płytą z tworzywa sztucznego, która wykorzystuje wgłębienia w pobliżu powierzchni w celu zakodowania informacji cyfrowych. Powierzchnia płyty zawiera wiele warstw, łącznie z warstwą aluminium i jedną z tworzywa poliwęglanowego.

Odtwarzacz CD wykorzystuje laser do odczytu informacji cyfrowej zakodowanej na płycie. Światło laserowe nadaje się do tego celu, ponieważ spójne światło może być skupiane na niezwykle małym obszarze. Szerokość wiązki laserowej przy wejściu do warstwy plastiku wynosi 0,8 mm 0,8 mm \SI{0,8}{\milli\metre} , ale warstwa ta wspomaga skupianie wiązki lasera, działając jak soczewka i redukując szerokość wiązki do 0,001 mm 0,001 mm \SI{0,001}{\milli\metre} , a zatem pozwala odróżnić wgłębienia w płycie. Wiązka lasera zostaje skupiona na warstwie aluminium nieco ponad powierzchnią dolnej części dysku, tak więc drobne rysy i uszkodzenia nie powodują utrudnień w odczycie. Światło lasera zostaje odbite od warstwy i trafia ponownie do czujnika optycznego w odtwarzaczu, przy czym światło odbite od powierzchni warstwy (poza wgłębieniem) jest jedynie odbite, a światło, które trafia we wgłębienie, ulega destruktywnej interferencji, która wygasza światło powracające (szczegóły tego procesu nie są ważne dla tej dyskusji). Odbite światło jest interpretowane jako „ 1 1 1 ”, a brak odbicia (wygaszenie) – jako „ 0 0 0 ”. Uzyskany sygnał cyfrowy przekształcany jest na sygnał analogowy, a sygnał analogowy wprowadzany do wzmacniacza, który zasila urządzenie, takie jak para słuchawek. System laserowy odtwarzacza CD jest pokazany na Ilustracji 8.31.

Fotografia wnętrza odtwarzacza CD.
Ilustracja 8.31 Odtwarzacz CD z będącym jego częścią laserem.

Odtwarzacz Blu-Ray

Podobnie jak odtwarzacz CD, odtwarzacz Blu-Ray (ang. Blu-Ray player ) odczytuje informację cyfrową (wideo lub audio) zapisaną na dysku, a laser jest używany do nagrywania tej informacji. Wgłębienia na płycie Blu-Ray są znacznie mniejsze i ściślej upakowane niż na CD, tak że można na niej przechowywać więcej informacji. Z tego powodu zdolność rozdzielcza lasera musi być większa. Osiąga się to za pomocą niebieskiego (stąd nazwa „Blu-Ray”) lasera o mniejszej długości fali, λ = 405 nm λ = 405 nm \lambda = \SI{405}{\nano\metre} (CD i DVD korzystają z czerwonego światła laserowego). Porównanie rozmiarów wgłębień, konfiguracji sprzętowych odtwarzaczy CD, DVD i Blu-Ray i związanych z tym rozdzielczości zostało pokazane na Ilustracji 8.32. Wielkości wgłębień na dysku Blu-Ray są więcej niż dwa razy mniejsze od wgłębień na płycie DVD lub CD, co daje przynajmniej czterokrotnie większą gęstość zapisu (gęstość zapisu jest w przybliżeniu proporcjonalna do kwadratu długości fali lasera). W odróżnieniu od płyt CD Blu-Ray przechowują dane na warstwie poliwęglanu, która umieszcza dane bliżej obiektywu i pozwala uniknąć problemów z ich odczytem.

Różnej wielkości otwory w CD, DVD i Blu-Ray. Wkażdym przypadku wielkość otworu jest mniejsza niż szerokość wiązki lasera na powierzchni urządzenia do zapisu informacji. Po lewej pokazano CD o pojemności 0.7 GB. Długość fali wiązki lasera lambda równa się 780 nanometrów, odpowiada fali czerwonej. Fala jest skupiana przez soczewkę, penetruje materiał CD na głębokość 1.2 m m i tworzy stosunkowo dużą plamkę na powierzchni CD. W środku umieszczono DVD o pojemności 4.7 GB. Laser DVD ma długość fali lambda równa się 650 nanometrów, co odpowiada fali pomarańczowo- czerwonej. Fala jest skupiana przez soczewkę i penetruje materiał DVD na głębokość 0.6 m m tworząc małą plamkę na powierzchni DVD. Po prawej stronie rysunku pokazano Blue-Ray o pojemności 25 GB. Laser Blue-Ray laser ma długość fali lambda równa się 405 nanometrów, co odpowiada fali niebieskiej. Fala jest skupiana przez soczewkę, penetruje materiał dysku blue-raya na głębokość 0.1 m m tworząc małą plamkę na powierzchni dysku.
Ilustracja 8.32 Porównanie rozdzielczości lasera w CD, DVD i Blu-Ray.
Cytowanie i udostępnianie

Chcesz zacytować, udostępnić albo zmodyfikować treść tej książki? Została ona wydana na licencji Uznanie autorstwa (CC BY) , która wymaga od Ciebie uznania autorstwa OpenStax.

Cytowanie i udostępnienia
  • Jeśli rozpowszechniasz tę książkę w formie drukowanej, umieść na każdej jej kartce informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-3/pages/1-wstep
  • Jeśli rozpowszechniasz całą książkę lub jej fragment w formacie cyfrowym, na każdym widoku strony umieść informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-3/pages/1-wstep
Cytowanie

© 21 wrz 2022 OpenStax. Treść książki została wytworzona przez OpenStax na licencji Uznanie autorstwa (CC BY) . Nazwa OpenStax, logo OpenStax, okładki OpenStax, nazwa OpenStax CNX oraz OpenStax CNX logo nie podlegają licencji Creative Commons i wykorzystanie ich jest dozwolone wyłącznie na mocy uprzedniego pisemnego upoważnienia przez Rice University.