Ядра в лучах лазера - Гангрский Ю.П.
Скачать (прямая ссылка):
Появление лазеров с перестраиваемой длиной вол*
4
ны, имеющих значительно большую интенсивность и монохроматичность излучения по сравнению с прежними источниками света, позволило существенно повысить точность и чувствительность измерений. Это дало возможность проводить работу со столь малыми количествами атомов исследуемого вещества, которые были недоступны для прежних методов, и распространить измерения на целую область радиоактивных ядер, характеризующихся необычными свойствами.
Свойства лазерного излучения позволяют поставить ряд принципиально новых экспериментов, не доступных для прежних оптических методов. Можно, например, из огромного числа посторонних атомов выделить отдельные атомы интересующего нас изотопа и сосчитать их. Это даст возможность исследовать такие редкие процессы, как двойной ?-распад и взаимодействия нейтрино с ядрами, характеризующиеся чрезвычайно малыми выходами конечных продуктов. Определив с высокой точностью скорости движущихся ядер, можно судить о спектрах испускаемых из этих ядер частиц, не доступных для прямых измерений (например, нейтрино). Можно воздействовать на вероятность радиоактивного распада или на выход ядерной реакции. Эти направления исследований будут во многом определять дальнейший прогресс в физике атомного ядра.
Несмотря на быстрый рост объема информации о свойствах ядер, в этой области физики остается еще много неясного. Не решен основной вопрос о природе ядерных сил, определяющей характер взаимодействия между нуклонами, входящими в состав ядра. В последние годы все более укрепляется предположение, что эти взаимодействия являются отражением сложной (квар-ковой) структуры протонов и нейтронов. Для решения этой проблемы необходимы дальнейшие исследования, расширение области изучаемых ядер, переход к более высокие энергиям возбуждения. Важную роль в этих исследованиях, несомненно, будет играть лазерное излуч ченне.
Обсуждение новых возможностей, открывающихся в изучении атомных ядер при использовании лазерного излучения, описание ряда как планируемых, так и уже проведенные экспериментов и полученных в них результатов и являются темой настоящей брошюрьц
5
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
Характер взаимодействия лазерного излучения с веществом определяется уникальными свойствами этого излучения — его монохроматичностью, когерентностью, направленностью. Эти свойства позволяют создавать остронаправленный поток монохроматического излучения с плотностью до 1018 Вт/см2 (в импульсе). При взаимодействии такого потока излучения с веществом могут быть достигнуты температура до десятков миллионов градусов, давление до нескольких миллионов атмосфер, напряженность магнитного поля до 108 Гс и электрического — до 1010 В/см. Такие экстремальные воздействия на вещество приводят к большому разнообразию процессов в нем — от селективного возбуждения отдельных уровней атомов или молекул до полного изменения агрегатного состояния. При этом интенсивность протекания тех или иных процессов определяется в первую очередь плотностью потока энергии и длиной волны (или величиной энергии) квантов излучения. Определенную роль играют, естественно, и свойства среды, например ее агрегатное состояние (газ, конденсированное вещество и т. д.).
Если среда представляет собой разреженный-газ, а плотность лазерного излучения невелика (102—104 В/см2), то происходит взаимодействие излучения с отдельными атомами или молекулами, которое приводит к возбуждению их уровней энергии. Это взаимодействие будет наиболее эффективным в том случае, когда имеет место резонанс, т. е. совпадение энергий лазерных квантов и энергий атомных уровней. При этой сечение взаимодействия растет в миллионы раз и достигает значений ICH0 см2. При таких значениях сечений взаимодействия и потоков лазерных квантов с энергией, соответствующей резонансу (до 1020 1/с-см2), каждый агом, оказавшийся в зоне лазерного излучения, сразу же (через время менее 10~9 с) поглощает световой квант и переводится в возбужденное состояние. То же самое происходит и после испускания атомов светового кванта или перехода обратно в основное состояние, индуцированное лазерным излучением. Таким образом, атом, находящийся в зоне лазерного излучения, может с равной вероятностью
б
испустить световой квант или поглотить еще один квант светового излучения и перейти на более высокий возбужденный уровень.
Роль такого многократного возбуждения растет с увеличением интенсивности (или плотности потока) лазерного излучения. При плотностях потока энергии 106—108 Вт/см2 многократное поглощение фотонов становится преобладающим процессом даже при энергиях фотонов, далеких от резонанса. Поглощение нескольких фотонов приводит к ионизации атома, т. е. к появлению в газе свободных электронов. Эти электроны могут приобретать энергию при взаимодействии с электромагнитным полем лазерного излучения. Набрав энергию выше порога ионизации, они будут выбивать новые электроны из атомов. В результате обоих процессов происходит переход вещества в новое состояние — в плазму, состоящую из ионов и электронов.
