Маскевич С.А. Атомная физика.Тестовые задания
Подождите немного. Документ загружается.
41
3. Основы теории квантовых переходов Эйнштейна
Теория квантовых переходов Эйнштейна дополняет теорию
Бора в том смысле, что она дает ответ на вопрос, от чего зависит
интенсивно сть излучения. Следует обратить внимание на т акие
понятия, как коэффициенты Эйнштейна для спонтанных и вынуж-
денных переходов, время жизни возбужденных состояний, равно-
весное излучение, знать специфические свойства вынужденного
излучения, которые проявляются в оптических квантовых генера-
торах, и понимать их природу. Понятие инверсной населенности
уровней энергии является ключевым в работе лазеров.
Предлагаемые тестовые задания позволяю т оценить знание осо-
бенностей спонтанног о и вынужденного испускания световых кван-
тов а т омами и физических принципов работы лазеров, знание свойств
лазерного излучения и некоторых вопросов их создания. Значитель-
ная часть заданий посвящена тепловому излучению, в частности,
фор муле Планка, закону смещения Вина и формуле Стефана-Больц-
мана. Поско льк у данные в опросы в основном из учались в курсе оп-
тики, то основное внимание уделено глубине их понимания.
3.А.1. Спонтанные квантовые переходы атомов или молекул
происходят без внешнег о в о з действия и поэтому возможны т о лько в
том случае, если эти частицы находятся в возбужденном состоянии.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.2. При спонтанных квантовых переходах внутренняя энер-
гия частицы (атом, молекула и др.) уменьшается.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.3. При спонтанном переходе, как правило, происходит
ионизация атома.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
42
3.А.4. При спонтанном переходе изолированного атома испус-
кается фотон.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.5. При спонтанном переходе атом может перейти из одно-
го возбужденного со стояния в дру гое возбужденное состояние с
меньшей энергией.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.6. При спонтанном переходе молекула перейдет в состоя-
ние с большей энергией.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.7. При спонтанном переходе атом может перейти в основ-
ное состояние.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.8. Вероятность спонтанных переходов является внутрен-
ним свойством атомов и зависит от внешних условий только в том
случае, если эти условия влияют на квантовое состояние атомов.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.9. Время жизни возбужденного состояния определяется
вероятностью спонтанных переходов на все нижележащие уровни.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
43
3.А.10. При термодинамическом равновесии в среде спонтан-
ные переходы не происходят.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.11. Возможны вынужденные переходы с уменьшением
внутренней энергии атомов.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.12. Вынужденные переходы атомов происходят под воз-
действием внешнего излучения, и при это м внутренняя энергия ато-
мов обязательно возрастает.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.13. Вынужденные переходы атомов всегда происходят под
воздействием внешнего возмущения, и при этом внутренняя энер-
гия атомов может уменьшаться.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.14. При нормальных условиях (термодинамическое рав-
новесие в среде) при прохождении через вещество излучения про-
исходит его поглощение, так как число вынужденных переходов с
поглощением будет преобладать над числом вынужденных перехо-
дов с испусканием.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.15. В балансе всех типов квантовых переходов вынужден-
ные переходы с испусканием играют существенную роль в области
высоких частот.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
44
3.А.16. В балансе всех типов квантовых переходов вынужден-
ные переходы с испуск анием могут играть бо лее существенную роль
в области низких частот.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.17. Вероятность вынужденного перехода атома не зависит
от интенсивности падающего на него внешнего излучения.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.18. Вероятность вынужденных переходов с поглощением
зависит от плотности энергии внешнего излучения, и эти переходы
возможны при любых частотах внешнего излучения.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.19. При вынужденных переходах необходимо соблюдение
второго постулата Бора (условия частот).
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.20. Возможны такие состояния среды, для которых число
вынужденных переходов за единицу времени с испусканием будет
больше, чем с поглощением.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.21. Инверсную населенность среды определяют как состо-
яние, при котором на как о м-либо уровне с большей энергией бо льше
атомов или молек ул, чем на как о м-либо уровне с меньшей энергией.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
45
3.А.22. При инверсной нас еленности среды больцмановское
распределение частиц по уровням энергии нарушено по отноше-
нию хотя бы к одному уровню.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.23. В случае инверсной населенности существует хотя бы
одна пара уровней энергии, для которой не выполняется формула
Больцмана
kTEE
ii
i
egNN
)(
0
0
−−
= (
i
g – статистический вес уровня) и для
которой на уровне с большей энергией больше а томов, чем на уровне
с меньшей энергией.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.24. В случае инверсной населенности среды обязательно
имеется такой уровень энергии, населенность которого больше, чем
населенность основного уровня.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.25. Для среды с инверсной нас еленностью значение тем-
пературы как меры кинетической энергии частиц не соответству-
ет значению температуры как термодинамической характеристи-
ки среды.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.26. Возможно усиление света средой с инверсной населен-
ностью, если она не помещена в резонатор, например, между зер-
калами.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
46
3.А.27. Высокая направленность лазерног о излучения обуслов-
лена наличием резонатора, и расходимость лазерного луча непо-
средственно определяется длиной резонатора и диаметром зеркал.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.28. Высокая монохроматичность лазерного излучения мо-
жет быть только в то м случае, если активная среда характеризуется
линейчатым спектром спонтанного испускания.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.29. Можно гипотетически получить лазерное излучение
полной когерентности и нулевой расходимости, увеличивая длину
резонатора до бесконечности.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.30. В пределах двухуровневой системы можно создать ин-
версную населенность оптическим способом.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.31. Формулу Планка без корректировки можно использо-
вать для описания спектр а излучения как абсолютно черного, так и
«серого» тела.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.32. Принцип детального равновесия, использованный Эй-
нштейном при выводе формулы Планка, предполагает термодина-
мическое равновесие в среде.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
47
3.А.33. Принцип детального равновесия применим для сред с
инверсной населенностью.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.34. Если температура среды стабильна, то среда является
термодинамически равновесной.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.35. Особенностью лазерного излучения как одного из ви-
дов спонтанного испускания атомов и молекул является то, что это
излучение имеет высокую когерентность.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.36. Формула Планка описывает распределение энергии в
спектре абсолютно черного тела в шкале частот или длин волн при
различных температурах.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.37. Из формулы Планка можно получить формулу Стефа-
на-Больцмана и закон смещения Вина.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.38. Излучение, которое возникает в среде с инверсной
населенностью, описывается формулой Планка, однако для это-
го случая необходимо вве сти поправочный множитель, как для
«с ерого» тела.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
48
3.А.39. Излучение, которое испускается абсолютно черным те-
лом и описывается формулой Планк а, является только спонтанным.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.40. При одной и той же температуре испускательная спо-
собность у абсолютно черного тела больше, чем у «серого» тела.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.41. Время жизни возбужденного со стояния определяется
вероятностью спонтанного перехода на близлежащий уровень.
а) да;
б) нет;
в) утверждение некорректно.
3.А.42. Высокая когерентность лазерного излучения достига-
ется, в первую очередь, благодаря:
а) отрицательной температуре;
б) тому, что лазерное излучение спонтанное;
в) резонатору;
г) тому, что лазерное излучение вынужденное;
д) интерференционным покрытиям зеркал.
3.Б.1. Внутренняя энергия атома обязательно уменьшается в
результате __________ перехода.
3.Б.2. В условиях термодинамического равновесия в среде чис-
ло __________ переходов с испусканием энергии за единицу вре-
мени меньше, чем число вынужденных переходов с поглощением
энергии.
3.Б.3. При отсут ствии безызлучательных переходов в услови-
ях термодинамического равновесия в среде число переходов с по-
глощением и __________ за единицу времени одинаково.
3.Б.4. Для двухуровневой системы среднее время жизни воз-
бужденных состояний связано с коэффициентом Эйнштейна для
49
спонтанного излучения, а, следовательно, с вероятностью спонтан-
ных переходов – __________ зависимостью.
3.Б.5. В пределах трехуровневой системы (
321
EEE <<
) создать
инверсную населенность можно при условии, что
2
τ
________
3
τ
.
3.Б.6. В лазерах среду, способную пребывать в состоянии с
инверсной населенностью, называют __________ и ее помещают
внутрь резонатора.
3.Б.7. Среда с инверсной населенностью способна __________
про х о дящее через нее излучение, если его часто та равна разности энер-
гии такой пары уровней энергии, для ко торой населенность вышеле-
жащего уровня больше, чем населенность ниж ележащег о уровня.
3.Б.8. Высокая направленность лазерного излучения обеспе-
чивается наличием в нем __________.
3.Б.9. Высокая когерентно сть лазерного излучения достигает-
ся, потому что это излучение является __________.
3.Б.10. Среди жидкостных, тв ердо тельных, газовых и полупро-
водниковых лазеров наибольший коэффициент полезного действия
имеют __________ лазеры.
3.Б.11. Среди создателей первых лазеров, получивших Нобе-
левские премии, были советские физики __________.
3.Б.12. Белорусскими физиками Б.И. Степановым, А.Н. Руби-
новым, В. А. Мостовниковым впервые в мире были созданы лазе-
ры, в которых в качестве активной среды использовались растворы
__________.
3.Б.13. Принцип детального равновесия предполагает, что в
случае термодинамического равновесия в среде для любой пары
невырожденных уровней за единицу времени числа квантовых пе-
реходов с поглощением
mn
Z
и испусканием
nm
Z
соотносятся:
mn
Z
__________
nm
Z .
50
3.Б.14. Распределение энергии в спектре излучения абсолют-
но черного тела описывается формулой __________.
3.Б.15. В соответствии с законом смещения Вина длина волны
максимума спектра излучения и абсолютная температура связаны
между собой __________ зависимостью.
3.Б.16. При повышении температуры тела мак симум спектра его
равновесного излучения смещается в область ________ длин волн.
3.Б.17. Формула Стефана-Больцмана может быть получена из
формулы Планка в результате интегрирования функции распреде-
ления в спектре теплового излучения в спектральном интервале
ν
__________.
3.Б.18. Вероятность вынужденных переходов зависит от плот-
ности энергии внешнего излучения, при этом между собой они свя-
заны __________ зависимостью.
3.Б.19. Если в среде до стигнут баланс элементарных актов
поглощения и испускания и он во времени не изменяется, то темпе-
ратура такой среды во времени __________.
3.Б.20. Время, в течение которого населенность уровня энер-
гии за счет спонтанных переходов уменьшается в е раз, называют
__________ возбужденного состояния.
3.В.1. Какие из представленных ниже утверждений имеют не-
посредственное отношение к спонтанному излучению?
а) спонт анно е излучение являет ся следствием квантовых пе-
реходов из уровней с меньшей энергией на уровни с большей
энергией;
б) спонтанное излучение в общем случае не является моно-
хроматичным;
в) спонтанно е излучение является когерентным;
г) спонтанное излучение возникает без воздействия на а томную
или молекулярную систему внешним излучением, а является след-
ствием про явления внутренних свойств а то мов и молек ул в ещества;
д) спонтанное излучение является следствием стремления
атомной и молекулярной систем к состоянию с минимальной энер-
гией.