Основни физически понятия


Категория на документа: Физика


 "Живият" лазер

Първоначално принципът на стимулираното излъчване е приложен за микровълновата област на електромагнитния спектър. Така се появява мазерът , който излъчва сноп от микровълни. По-късно, когато принципът на действие е разширен и приложен за електромагнитни вълни в оптичния диапазон, се появява и лазерът. Първият лазер заработва на 16 май 1960 г. Той е с рубинов кристал за активна среда и използва лампа за оптичното напомпване.

Схема на лазер
Компоненти:
1 - активна среда
2 - източник на напомпване
3 - 100% огледало
4 - полупропускливо огледало
5 - лазерен лъч

След появата си през 60-те години лазерите се развиват много бурно. Смятало се е, че от тях ще станат чудесни оръжия и военните са инвестирали много средства по време на студената война. Появяват се най-различни разновидности на лазери с различни мощности и дължини на вълните в целия оптичен диапазон - от ултравиолетовата област (ексимерни лазери и азотни лазери), през видимата (аргонови и хелий-неонови лазери) до инфрачервената област (YAG-неодим лазери и лазери с въглероден оксид и въглероден диоксид) и много различни приложения. С развитието на полупроводниковата технология се появяват и полупроводникови лазери, които са много използвани в момента за оптично напомпване на други твърдотелни активни среди .

В наши дни в областта на лазерната техника се работи усилено, понеже те намират много широко приложение в медицината, шоубизнеса, промишлеността, химията, биологията и други.
Заслужава да се отбележи, че България има сериозен принос в развитието на лазерната техника. В България е пуснат първият лазер с па̀ри на меден бромид .

Последните разрабти в лазерната техника и генетиката позволиха направата на така нареченият "Жив лазер".

"Живият" лазер изпозва за активна среда ембрионална човешка клетка от бъбрек, като в нея е добавен зелен флуоресцентен протеин (GFP) , получен от медуза. За да се съдаде лазерен лъч, който се характеризира с монохроматичност и кохерентност, е необходимо активиране на средата, което се осъществява чрез външен светлинен източник, излъчващ синя светлина и система от отражателно n ≈ 100% и полупропускливо n ≈ 97% огледало (резонатор). Разстоянието между огледалата е 20 микрона. Размерите на самата клетка са от порядъка на 15-20 микрометъра.

При осветяване на активната среда със синя светлина от луминисцентна лампа се увеличава синтезирането на протеина в клетката и при достатъчно голяма инверсна населеност на метастабилното ниво се получава лазерно излъчване.

"Живите" лазери в бъдеще ще се използват за активиране на медикаменти в тялото на човека. Те могат да генерират лъчение в жив организъм и това да даде възможност за подобряването на сканирането на съответният организъм. Онколозите ще могат, с тяхна помощ, да лекуват рака отвътре, а не както до сега отвън.

Черни дупки

Черните дупки са последният етап от еволюцията на масивните звезди. Според теорията за звездната еволюция след изчерпването на ядреното гориво, налягането в центъра не е достатъчно, за да попречи на гравитационното свиване на звездата. Вследствие на това вътрешните слоеве на звездата пропадат към центъра й. С увеличаване на плътността атомните ядра не мога да запазят своята цялост и веществото се превръща изцяло в неутрони. Така се формират неутронните звезди. Важна тяхна характеристика е масата им. Според Закона на Нютон за гравитацията повърхностното привличане (приемаме, че масата остава постоянна) се изменя обратно пропорционално на квадрата на диаметъра. Така, че ако свием една звезда до 1/2 от първоначалния й диаметър, то повърхностната гравитация е 2х2 или 4 пъти по-голяма от първоначалната. Ако свием звездата до 1/6 от първоначалния й диаметър, тогава гравитацията е 6х6 или 36 пъти по-голяма от първоначалната.

Звездата Сириус В, имайки диаметър 1/30 от слънчевия и маса, колкото Слънцето, трябва да има повърхностна гравитация 900 пъти по-голяма от слънчевата. Така, че ако приемем, че човек може да съществува на повърхността на Слънцето, то ако той тук тежи 70 кг, там ще тежи около 2000 кг, тъй като Слънцето има 28 пъти по-силна повърхностна гравитация от Земята. А на повърхността на Сириус В той би тежал 1,800,000 кг.

Неутронна звезда с масата на Слънцето и диаметър 14 км. (или 1/100 000 от слънчевия диаметър) трябва да има повърхностна гравитация 10,000,000,000 пъти по-голяма от слънчевата. Там 70-кг човек би тежал 20 трилиона кг. Скоростта на избягване (2-ра космическа скорост) при неутронните звезди е много голяма. Тъй като тя се променя обратно пропорционално на квадратния корен на диаметъра, то звездата Сириус В с диаметър, равен на 1/30 от слънчевия, ще има 5,5 пъти по-голяма скорост на избягване. Скоростта на избягване на Слънцето е 617 км/сек, което означава, че скоростта за Сириус В е 3400 км/сек. За неутронна звезда с маса, колкото слънчевата, но с диаметър само 1/100 000 от неговия, трябва да има скорост на избягване от повърхността 316 пъти по-голяма, което е почти 200 000 км/сек или 70% от скоростта на светлината.

Ако свиването на звездата продължи, то ще продължи и нарастването на скоростта на избягване. Неизбежно ще се стигне до състояние, при което скоростта на избягване ще стане равна на скоростта на светлината. Радиусът на свиващото се тяло, при което това се случва, се нарича радиус на Шварцшилд, защото той е изчислен за първи път от немския астроном Карл Шварцшилд. Нулевата точка в центъра се нарича сингулярност, в смисъл особеност или точка с особени свойства.

За тяло с маса равна на слънчевата, радиусът на Шварцшилд е 3 км. Диаметърът е съответно двойно по-голям - 6 км. Неутронна звезда с маса, колкото слънчевата, ако преодолее неутронната бариера и се свие до 6 км, ще има огромна плътност - 17,800,000,000,000,000 г/см3. А повърхностната й гравитация ще бъде 1,500,000,000,000 пъти по-голяма от земната, така, че човек с тегло 70 кг., попаднал в такъв обект, би тежал 100 млрд.кг. Приливният ефект на повърхността на този обект е 13 пъти по-голям от приливния ефект на повърхността на неутронна звезда. Най-важното на този обект е, че скоростта на избягване е равна на скоростта на светлината. Върху такъв обект могат да падат най-различни неща, но те не могат да бъдат обратно изхвърлени от него - сякаш този обект е една безкрайно дълбока дупка в пространството. Тъй като той не може да излъчва нито светлина, нито каквото и да е друго лъчение, обекта се нарича черна дупка.

Черната дупка е единственият обект, който е стабилен във вечността. Което довежда до предположението, че в далечно бъдеще Вселената ще е съставена единствено от черни дупки, а накрая - от една единствена черна дупка. Детектирането на черна дупка е трудно. Очевидно е, че тези обекти, които не излъчват нито светлина, нито микровълни или някое друго подобно лъчение, винаги ще са много трудни за наблюдение. Но за сметка на това те имат силно гравитационно поле.

Според теорията на Айнщайн, под действието на гравитацията се освобождават гравитационни вълни, които в аспекта им като частици се наричат гравитони (подобно на фотоните от светлинните вълни). Гравитоните са значително по-малко енергетични от фотоните и не могат да бъдат открити, освен в случаите, когато им действат необикновено високи енергии, като дори и тогава те трудно се проявяват.

За детектирането на гравитационни вълни през 1960 г. американският физик Джоузеф Вебер използвал големи алуминиеви цилиндри, всеки с тегло по няколко тона, разположени на стотици километри разстояние един от друг. Предполагало се е, че цилиндрите ще се разширяват и свиват изключително слабо, когато гравитационните вълни преминават през тях. Вебер твърди, че е успял по този начин да детектира гравитационни вълни и това внесло огромно оживление сред астрономите. Ако тези данни са верни, следва извода, че в центъра на Галактиката протичат процеси, свързани с отделянето на огромна енергия - може би там има черна дупка. Други учени обаче не успяват да повторят този опит и въпросът, дали Вебер е детектирал гравитони, остава открит. Възможно е в центъра на Галактиката наистина да има черна дупка, но сега се търси друг метод за нейното детектиране.

Друг начин, използвайки интензивното гравитационно привличане в околността на черна дупка, е изследване поведението на светлината, която трябва да се отклонява при преминаването покрай черна дупка. Ако между Земята и далечна галактика например има черна дупка, светлината на галактиката ще обхожда черна дупка с точкови размери, която сама по себе си е невидима. От всички страни светлината ще се отклонява към черната дупка и лъчите ще се схождат в посока към нас така, както става при обикновените лещи. По тази причина явлението се нарича гравитационна леща и този ефект вече е наблюдаван.

В околностите на черна дупка може да има обикновено вещество. Ако това е така, обектите с по-големи размери при достатъчно приближаване до черна дупка се раздробяват на прахообразни частици и ще обикалят около черната дупка на разстояние около 200 км. над радиуса на Шварцшилд във вид на акреционен диск. Газово-праховата материя, движеща се по орбита около черната дупка, може да остане завинаги на тази орбита, ако отделните частици не се смесват. Но взаимните удари между частиците водят до обмен на енергия. При това някои частици ще губят от енергията си и ще започнат да падат спираловидно към черната дупка, спускайки се под радиуса на Шварцшилд, откъдето никога не може да се излезе обратно. Това е слаб, но постоянен поток от падащо надолу вещество. Частиците, движещи се по навиваща се спирала, губят гравитационната си енергия, която се превръща в топлина, и ги нагрява. Те се нагряват допълнително и от разтягането и свиването от приливните ефекти. В резултат температурата на частиците се повишава неимоверно и те започват да излъчват рентгенови лъчи. Тези лъчи предлагат друг метод за откриване на черни дупки.

За да се превърне Земята в черна дупка е необходимо да се свие до 0,87 см - тогава скоростта на избягване ще стане колкото скоростта на светлината. Това ще бъде една мини черна дупка. Ако подобни обекти съществуват, би означавало, че техният брой е много по-голям от този на черните дупки със звездни размери. Ако си представим астронавт, който пада в черна дупка, но по някакъв начин запазва съзнание и е в състояние да възприема онова, което го заобикаля, той няма да почувства промяна в хода на времето. Ще премине през радиуса на Шварцшилд без да разбере, че съществува някаква бариера и ще продължи пътя си към неизвестното. От гледна точка на астронавта разстоянието пред него ще се увеличава по време на падането, така че той ще продължи да пада вечно и никога няма да достигне до центъра. В този смисъл черната дупка е бездънна дупка. Падането в черна дупка е необратимо, от което следва, че тези дупки могат само да нарастват, докато съществува възможност да се образуват и нови дупки

Бяло джудже - Последната фаза от живота на средно масивните звезди




Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Основни физически понятия 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.