Сабақ жоспары Пәннің аты: Физика Сабақ өткізілетін күн Сабақ өткізілетін топ, курсы, мамандығы

1. Оқушылардың өзіндік ізденіс жұмыстары: «Э.Резерфордтың өмірі және ғылымға қосқан үлесі»

• 
  Бордың кванттық постулаттары.
  
• 
  Лазер сәулесі.
  

Атомның ядролық моделін түсіндірудегі туындаған қиыншылықтан шығудың жолын 1913 жылы Н. Бор көрсетті. Бор өз көзқарастарын төмендегі постулаттарында тұжырымдады:

1. 
   Атомдық жүйе тек ерекше станционарлық немесе кванттық күйлерде орналаса алады; олардың әрқайсысына белгілі энергия сәйкес келеді. Стационар күйде атом электро-магниттік толқындар шығармайды.
   
2. 
   Атом бір стационарлық күйден екіншісіне өткенде электро-магниттік сәуленің кванты шығарылады немесе жұтылады. Фотонның энергиясы атомның екі стационарлық күйдегі энергиялардың айрымына тең: , мұндағы һ-Планк тұрақтысы.
   

Еріксіз сәуле шығарудың ерекшелігі – оның монохроматтылығы және когеренттілігі. Осы қасиет лазерлік қондырғылардың негізіне алынған. Индукциялық сәуле шығару нәтижесінде алынған жаңа фотон орто арқылы өтетін жарықты күшейтеді.

1. 
   Бор постулатының физика ғылымы үшін маңызы неде?
   
2. 
   Бордың І постулатын тұжырымдаңдар.
   
3. 
   Бордың ІІ постулатын тұжырымдаңдар.
   
4. 
   Энергетикалық диаграммалар дегеніміз не?
   
5. 
   Энергетикалық деңгей дегеніміз не?
   
6. 
   Лазер сөзі қай тілден енген және қандай мағынаны білдіреді?
   
7. 
   Негізгі және қозған күйлерге анықтама беріңдер.
   
8. 
   Лазер сәулесінің басқа сәулелерден артықшылығы қандай?
   
9. 
   Лазер сәулесінің түрлері қандай?
   
10. 
    Лазер сәулесінің күнделікті тұрмыста қолданылуларына мысалдар келтіріңдер.
    

Оқушылардың жаңа сабақта алған білімдерін пысықтау, сабаққа белсенді қатысқан оқушыларды мадақтау.

1. Оқушылардың өзіндік ізденіс жұмыстары: «Лазер сәулесінің медицинада қолданылуы»

1. 
   Конграт Б.А., Кем В.И., Қойшыбаев Н. ФИЗИКА /Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-математика бағытына арналған оқулық/ -Алматы:Мектеп,2006
   
2. 
   Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. ФИЗИКА / Орта мектептің 10-11 сыныптарына арналған оқулық/ - Алматы: Мектеп: 2001
   
3. 
   Рымкевич А.П. Физика есептерінің жинағы. Алматы: Рауан, 1998г
   

Атомның ядролық моделi α-бөлшектердiң жұқа алтын фольгадан шашырауын дұрыс түсiндiргенiмен екiншi жағынан басқа қиындыққа жолықты. Оның мәнiсi мынада болатын. Классикалық электродинамика заңдары тұрғысынан атомның планетарлық моделi тәрiздес жүйелер орнықты болмауы тиiс едi. Себебi, электрон ядроны айнала үдей қозғалатын болғандықтан өзiнен электромагниттiк сәуле шығаруы тиiс. Ал бұлай сәуле шашу оның энергиясын кемiтедi де соның салдарынан электронның айналу радиусы бiрте-бiрте кемiп, түбiнде ол ядроға құлап түсуi тиiс болатын. Бiрақ тәжiрибе бұған мүлдем керi нәтиже бередi. Атом орнықты жүйе және ол қозбаған күйде болса өзiнен ешқандай да сәуле шығармайды.

Теория мен тәжiрибенiң арасындағы осындай қарама-қайшылықты шешу жолында ғалымдарға бiраз тер төгуге тура келдi. Бұл бағыттағы зерттеулер барысында алғашқы елерлiктей табысқа дат ғалымы Нильс Бор жеттi. Ол классикалық физиканың атомдық жүйеге қатысты барлық көзқарастарын қайта қарай келiп, оның атомдарға қатысты жаңа тәжiрибелiк деректердi түсiндiруде дәрменсiз екенiне көзi жеттi. Бұл жерде классикалық физика ұғымдарының ауқымынан тысқары шығу қажет болатын. Нильс Бор 1913 жылы солай жасады да, ол атомның жарықты шығаруы мен жұтуы жөнiндегi өзiнiң түсiнiгiн мынадай екi постулат түрiнде тұжырымдады :

1. 
   Атомдық жүйе тек ерекше станционарлық немесе кванттық күйлерде орналаса алады; олардың әрқайсысына белгілі энергия сәйкес келеді. Стационар күйде атом электро-магниттік толқындар шығармайды.
   
2. 
   Атом бір стационарлық күйден екіншісіне өткенде электро-магниттік сәуленің кванты шығарылады немесе жұтылады. Фотонның энергиясы атомның екі стационарлық күйдегі энергиялардың айрымына тең:
   

Әрбір атом шексіз ұзақ бола алатын, энергиясы ең аз стационарлық күй негізгі күй деп аталады. Барлық қалған стационарлық күйлер қоздырылған күйлер деп аталады.

Бор постулактарының атом физикасына еңгізген негізгі өзгерісі барлық физикалық шамалардың өзгерісінің үзіліссіздігінен бас тарту және атомның ішкі күйін сипаттайтын физикалық шамалардың квантталатыны жөніндегі идеяны қабылдау болып табылады. Бұл идеяға сәйкес атомдағы ядро мен эленның ара қашықтығы, электронның атомдағы кинетикалық және потенциалдық энергиялары, оның дөңгелек орбита бойымен қозғалысының жылдамдығы дискретті мәндерге ғана ие бола алады.

Атомдардың стационарлық күйлерін күрнекті ету үшін энергетикалық диограммалар қолданылады. Энергетикалық диаграммада атомның әрбір стационар күйі энергетикалық деңгей деп аталатын горизонталь сызықпен белгіленеді. Энергетикалық диаграмманың ең төменінде орналасқан энергетикалық деңгейге атомы Е₁ энергиялы негізгі жүйе сәйкес келеді. Қоздырылған күйлердің энергетикалық деңгейлері негізгі және қоздырылған күйлердің, энергияларының айырмасына пропорционал қашықтықтарда негізгі деңгейден жоғары орналасады.

ХХ ғасырдың екiншi жартысындағы физиканың iрi табыстарының бiрi оптикалық кванттық генератор, немесе басқаша айтқанда лазердiң ойлап табылуы. "Лазер" деген сөз ағылшынның "Light Amplificatoin by Stimulated Emission of Radiation" деген сөйлемiнiң алғашқы әрiптерiнен алынған (LASER). Бұл "мәжбүрленген сәуле шашудың көмегiмен жарықты күшейту" дегендi бiлдiредi. Мәжбүрленген сәуле шығару үрдiсi лазелердiң физикалық негiзi болып табылады.

1916 жылы А. Эйнштейін атомдағы электрон жоғарғы энергетикалық деңгейден төменгісіне өткендегі шығатын сәуле сыртқы электромагниттік өрістің әсерінен де болуы мүмкін деген болжам ұсынды. Осындай сәуле шығаруды еріксіз немесе индукциялық сәуле шығару деп атайды.

Егер сыртқы өрiстiң жиiлiгi қозған атомның өзiндiк жиiлiгiмен сәйкес келсе, онда резонанстық эффекттiң салдарынан мәжбүрленген сәуле шығарудың ықтималдылығы күрт өседi. Яғни, жиiлiгi қозған атомның өзiндiк жиiлiгiмен дәл келетiн фотон осы атомның электронымен әсерлескен кезде ол атом қозған күйден төменгi энергетикалық күйге өтедi де бiр фотонның қасында жиiлiгi тура сондай екiншi фотон пайда болады. Бұл үрдiс бұдан әрi басқа атомдармен де қайталанып тасқынды түрде өтедi де жарық күрт күшейедi.

Еріксіз сәуле шығарудың ерекшелігі – оның монохроматтылығы және когеренттілігі. Осы қасиет лазерлік қондырғылардың негізіне алынған. Индукциялық сәуле шығару нәтижесінде алынған жаңа фотон орто арқылы өтетін жарықты күшейтеді.

Әдетте жарық зат арқылы өткен кезде заттағы негiзгi күйде тұрған атомдар жарықты жұтады да, қозған атомдар өзiнен мәжбүрленген сәуле шығарады. Сондықтан жарық зат арқылы өткен кезде күшею үшiн заттағы атомдардың тең жартысынан көбi қозған күйде болуы тиiс. Заттардың мұндай күйi - деңгейлерi инверсиялы қоныстанған күй деп аталады (inversio – латынша «төңкерiлген» деген ұғымды бiлдiредi). Атомдар әдетте қозған күйде өте аз, 10^-9 – 10^-7 с уақыт ғана болатындықтан деңгейлерi инверсиялы қоныстанған күйлердi алу оңай шаруа емес. Бiрақ кейбiр атомдардың қозған күйде ұзақ, шамамен 10^-3 с бола алатын күйлерi болады. Ондай күйлердi метатұрақты күйлер деп атайды. Осындай метатұрақты күйлерi бар заттарды жарықты күшейтуге қолданады. Алғашқы лазерлер ретiнде рубиннiң кристаллдары пайдаланылды. Ондағы атомдарды қоздыру үшiн рубин бiлiктi сыртынан импульстi түрде жұмыс iстейтiн, спираль шаммен орады. Шам жарқ етiп жанған кездегi шыққан энергияны рубин атомдары жұтып, метатұрақты күйлерге өтедi. Атомдарды бұлай қоздыру оларды үрлеу деп аталады. Бүкiл қозған атомдардың сәуле шығаруы бар болғаны 10^-8 – 10^-10 с уақытқа созылады. Осы кездегi жарық сәулесiнiң қуаты өте үлкен 10⁹ Вт-қа дейiн жетуi мүмкiн. Бұл үлкен электростанциялардың қуатынан да үлкен.

Лазер сәулесiнiң негiзгi қасиеттерi оның аса жоғарғы монохроматтылығы, шашырамайтын сәуле түрiнде алу мүмкiндiгi және аса қуаттылығы.

Лазер – құрылғы. Ол жылулық, химиялық, электр энергия, сын элетромагниттік өрістің энергиясына – лазер сәулесіне айналдырады. Осындай түрлену нәтижесінде алынған лазерлік энергияның сапасы жоғары болады. Лазерлік энергияның сапасы күшті шоғырлану жоғарылығымен және едәуір ара қашықтыққа жеткізу мүмкіндігімен анықталады. Лазер сәулесін диаметрі жарық толқынының ұзындығы шамасында болатын өте кішкентай саңылауға фокустап, тығыздығы осы күнгі ядролық жарылыс энергиясының тығыздығынан асып түсетін энергия алуға болады. Лазерлік сәуле шығару көмегімен температураның, қысымның, магнит индукциясының ең жоғарғы мәндерін алу мүмкіндігі туды. Лазер сәулесі керемет ауқымды ақпарат тасығыш болғандықтан ақпаратты өңдеумен жеткізудің ең жаңа принципті құралы болып табылады.

Бүгiнгi күнде кристаллдардағы лазерден өзгеше, газдағы және сұйықтардағы (бояғыштардағы) лазерлер жасалған. Бояғыштағы лазерлердiң ерекшелiгi, олардың шығаратын сәулелерiнiң жиiлiгiн кең ауқымда өзгертудiң мүмкiндiгi бар.

Лазерлер бүгiнгi күнде сан алуан салада қолданылады. Олар заттарды өңдеу, медицина және голография. Монохроматты когеренттi лазерлiк сәуленiң көмегiмен волоконды оптикада кабельдiк, телефондық және теледидарлық байланысты жүзеге асыруға болады. Тасымалдаушы жиiлiктiң аса жоғары (10¹³ – 10¹⁴ Гц) болуы бiр жарыққұбыры арқылы миллиардқа дейiнгi музыкалық хабарды немесе миллионға дейiнгi телехабарды бiрмезгiлде тасымалдауға мүмкiндiк бередi. Лазерлер ең қуатты жарық көздері болып табылады. Уақыттың қысқа мерзімі ішінде (10^-13 с аралығы) спектрдің жіңішке аралығындағы сәуле шығару қуат 10¹⁷ ВТ/см², ал күннің сәуле шығару қуаты тек 7*10³ВТ/см²

Лазердің мынадай түрлері бар: рубин лазері, газ лазері, үздіксіз әсер ететін жартылай өткізгішті лазерлер, өте қуатты өздіксіз әсер ететін газодинамикалық лазерлер т.б.

Лазерлер сәулесінің зор қуаты ваккумдағы материалдардың кептіру, пісіру және т.б. үшін пайдаланылады. Лазерлік сәуле жәрдемімен хирургиялық операция жасауға, мысалы, көз түбінен ажырап кеткен торды «дәнекерлеуге», лазер сәулелерінің когерентігін пайдаланып, денелердің көлемдік кескіндерін алуға болады.

Сонымен бірге лазерлік сәулелермен атомдарды немесе молкеулаларды қоздыра отырып, кәдімгі жағдайларда жүзеге аспайтын химиялық реакцияларды жүргүзуге болады.

Бұл күндерi лазерлiк термоядролық синтездi жүзеге асыру мүмкiндiктерi зерттелуде.

Гелий-неонды лазер схемасы