30.5: Matumizi ya Uchochezi wa Atomiki na De-Excitations

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza na kujadili fluorescence.
• Eleza metastable.
• Eleza jinsi uchafu wa laser unavyozalishwa.
• Eleza ubadilishaji wa idadi ya watu.
• Kufafanua na kujadili holography.

Mali nyingi za suala na matukio katika asili ni moja kwa moja kuhusiana na viwango vya nishati ya atomiki na msisimko wao unaohusishwa na msisimko. Rangi ya rose, pato la laser, na uwazi wa hewa ni mifano michache. (Angalia Kielelezo.) Ingawa inaweza kuonekana kuwa pajamas za gla-katika-giza na lasers zina mengi sawa, kwa kweli ni matumizi tofauti ya uchochezi wa atomiki sawa.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Mwanga kutoka laser unategemea aina fulani ya uchochezi wa atomiki. (mikopo: Jeff Keyzer)

Rangi ya nyenzo ni kutokana na uwezo wa atomi zake kunyonya wavelengths fulani wakati wa kutafakari au kuondosha wengine. Nyenzo nyekundu rahisi, kwa mfano nyanya, inachukua wavelengths zote zinazoonekana isipokuwa nyekundu. Hii ni kwa sababu atomi za rangi yake ya hidrokaboni (lycopene) zina viwango vinavyotenganishwa na nguvu mbalimbali zinazofanana na nguvu zote zinazoonekana za fotoni isipokuwa nyekundu. Air ni mfano mwingine wa kuvutia. Ni wazi kwa mwanga unaoonekana, kwa sababu kuna viwango vichache vya nishati ambavyo fotoni zinazoonekana zinaweza kusisimua katika molekuli za hewa na atomi. Nuru inayoonekana, kwa hiyo, haiwezi kufyonzwa. Zaidi ya hayo, mwanga unaoonekana ni dhaifu tu waliotawanyika na hewa, kwa sababu wavelengths inayoonekana ni kubwa sana kuliko ukubwa wa molekuli za hewa na atomi. Mwanga lazima upite katika kilomita za hewa ili kueneza kutosha kusababisha machweo nyekundu na anga za bluu.

Fluorescence na Phosphorescence

Uwezo wa nyenzo za kuondoa wavelengths mbalimbali za mwanga ni sawa na viwango vya nishati ya atomiki. Kielelezo kinaonyesha nguruwe inayoangazwa na taa ya UV, wakati mwingine huitwa mwanga mweusi. Miamba mingine pia huangaza katika mwanga mweusi, rangi fulani kuwa kazi ya utungaji wa madini ya mwamba. Taa nyeusi pia hutumiwa kufanya mabango fulani kuangaza.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Vitu vinaangaza katika wigo unaoonekana wakati unaangazwa na mwanga wa ultraviolet (nyeusi). Uzalishaji ni tabia ya madini yanayohusika, kwani yanahusiana na viwango vyake vya nishati. Katika kesi ya nguruwe, protini karibu na uso wa ngozi zao hutoa mwanga wa bluu. Huu ni mfano wa rangi ya fluorescence ambayo uchochezi husababishwa na mionzi ya UV wakati uchochezi hutokea kwa namna ya mwanga unaoonekana. (mikopo: Ken Bosma, Flickr)

Katika mchakato wa fluorescence, atomi inafurahi kwa ngazi hatua kadhaa juu ya hali yake ya ardhi kwa kunyonya photon ya juu ya nishati ya UV. Hii inaitwa uchochezi wa atomiki. Mara baada ya msisimko, atomi inaweza de-excite kwa njia kadhaa, moja ambayo ni re-emit photon ya nishati sawa na msisimko, hatua moja nyuma ya hali ya ardhi. Hii inaitwa atomiki de-uchochezi. Njia nyingine zote za msisimko zinahusisha hatua ndogo, ambazo photons za chini (muda mrefu wa wavelength) hutolewa. Baadhi ya haya yanaweza kuwa katika aina inayoonekana, kama vile kwa nguruwe katika Kielelezo. Fluorescence inaelezwa kuwa mchakato wowote ambao atomi au molekuli, msisimko na photon ya nishati iliyotolewa, na huchochea kwa chafu ya photon ya chini ya nishati.

Fluorescence inaweza kuingizwa na aina nyingi za pembejeo za nishati. Rangi ya fluorescent, rangi, na hata mabaki ya sabuni katika nguo hufanya rangi kuonekana kuwa nyepesi katika jua kwa kubadili baadhi ya UV kuwa mwanga unaoonekana. Mionzi ya X inaweza kushawishi fluorescence, kama inafanyika katika fluoroscopy ya x-ray ili kufanya picha zinazoonekana wazi. Utoaji wa umeme unaweza kusababisha fluorescence, kama katika taa zinazoitwa neon na katika zilizopo za kutokwa gesi zinazozalisha spectra ya atomiki na Masi. Taa za fluorescent za kawaida hutumia kutokwa kwa umeme katika mvuke ya zebaki ili kusababisha uzalishaji wa atomiki kutoka atomi za Ndani ya mwanga wa fluorescent imefunikwa na nyenzo za fluorescent ambazo hutoa mwanga unaoonekana juu ya wigo mpana wa wavelengths. Kwa kuchagua mipako inayofaa, taa za fluorescent zinaweza kufanywa zaidi kama jua au kama mwanga wa nyekundu wa mshumaa, kulingana na mahitaji. Taa za fluorescent zinafaa zaidi katika kubadili nishati ya umeme katika mwanga unaoonekana kuliko filaments za incandescent (karibu mara nne kama ufanisi), mionzi ya blackbody ambayo ni hasa katika infrared kutokana na mapungufu ya joto.

Atomi hii inafurahi kwa moja ya ngazi zake za juu kwa kunyonya photon ya UV. Inaweza kuondokana na hatua moja, kurejesha tena photon ya nishati sawa, au kwa hatua kadhaa. Mchakato huitwa fluorescence ikiwa atomu inavutia katika hatua ndogo, ikitoa nishati tofauti na yale ambayo yalisisimua. Fluorescence inaweza kuingizwa na pembejeo mbalimbali za nishati, kama vile UV, x-rays, na kutokwa kwa umeme.

Mapango ya Waitomo ya kuvutia kwenye Kisiwa cha Kaskazini huko New Zealand hutoa mazingira ya asili kwa minyoo ya mwangaza. Vidudu vya kung'aa hutegemea nyuzi 70 za hariri za takriban 30 au 40 cm kila mmoja ili mtego mawindo yanayoruka kuelekea kwao gizani. Mchakato wa fluorescence ni ufanisi sana, na karibu 100% ya pembejeo ya nishati hugeuka kuwa mwanga. (Kwa kulinganisha, taa za fluorescent ni juu ya 20% ufanisi.)

Fluorescence ina matumizi mengi katika biolojia na dawa. Ni kawaida kutumika kwa lebo na kufuata molekuli ndani ya seli. Utambulisho huo unaruhusu mtu kujifunza muundo wa DNA na protini. Dyes ya fluorescent na antibodies hutumiwa kutaja molekuli, ambazo zinaangazwa na mwanga wa UV na chafu yao ya mwanga inayoonekana huzingatiwa. Kwa kuwa fluorescence ya kila kipengele ni tabia, utambulisho wa vipengele ndani ya sampuli unaweza kufanywa kwa njia hii.

Kielelezo kinaonyesha rangi ya kawaida ya fluorescent inayoitwa fluorescein. Chini ya hapo, Kielelezo inaonyesha utbredningen ya rangi ya fluorescent katika maji kwa kuchunguza ni chini ya mwanga UV.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Fluorescein, iliyoonyeshwa hapa katika fomu ya poda, hutumiwa kwa sampuli za maabara ya rangi. (mikopo: Benjah-BM27, Wikimedia Commons)

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Hapa, poda ya fluorescent imeongezwa kwa beaker ya maji. Mchanganyiko hutoa mwanga mkali chini ya mwanga wa ultraviolet. (mikopo: Bricksnite, Wikimedia Commons)

Nano-fuwele

Hivi karibuni, darasa jipya la vifaa vya fluorescent limeonekana— “nano-fuwele.” Hizi ni molekuli moja-kioo chini ya 100 nm kwa ukubwa. Kidogo cha hizi huitwa “dots za quantum.” Viashiria hivi vya semiconductor ni ndogo sana (2—6 nm) na hutoa mwangaza bora. Pia wana faida kwamba rangi zote zinaweza kuwa na msisimko na wavelength tukio moja. Wao ni nyepesi na imara zaidi kuliko rangi za kikaboni na wana maisha ya muda mrefu kuliko phosphors ya kawaida. Wamekuwa chombo bora kwa ajili ya masomo ya muda mrefu ya seli, ikiwa ni pamoja na uhamiaji na morphology. (Kielelezo.)

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Picha ndogo ya seli za kuku kwa kutumia nano-fuwele za rangi ya fluorescent. Kiini kiini maonyesho bluu fluorescence wakati neurofilaments kuonyesha kijani. (mikopo: Weerapong Prasongchean, Wikimedia Commons)

Mara baada ya msisimko, atomi au molekuli kwa kawaida kwa hiari de-excite haraka. (Electroni zilizofufuliwa kwa viwango vya juu huvutiwa na zile za chini na malipo mazuri ya kiini.) Hiari de-uchochezi ina short sana maana maisha ya kawaida kuhusu\(10^{-8}\space s.\) Hata hivyo, baadhi ya ngazi na maisha kwa kiasi kikubwa tena, kuanzia hadi nukta kwa dakika au hata masaa. Viwango hivi vya nishati vimezuiliwa na ni polepole katika kusisimua kwa sababu namba zao za quantum zinatofautiana sana na zile za viwango vya chini vinavyopatikana. Ingawa maisha haya ya ngazi ni mafupi katika suala la kibinadamu, ni amri nyingi za ukubwa mrefu zaidi kuliko ilivyo kawaida na, kwa hiyo, zinasemekana kuwa metastable, maana yake ni imara. Phosphorescence ni msisimko wa hali ya metastable. Vifaa vya Glow-katika-giza, kama vile mihuri ya mwanga kwenye saa na saa na kwenye vituo vya watoto na pajamas, hufanywa kwa vitu vya phosphorescent. Mwanga unaoonekana huwavutia atomi au molekuli kwa majimbo metastable yanayooza polepole, ikitoa nishati ya uchochezi iliyohifadhiwa sehemu kama mwanga unaoonekana. Katika keramik fulani, nishati ya uchochezi ya atomiki inaweza kuhifadhiwa baada ya kauri imechochea kutoka kwenye kurusha kwake. Inatolewa polepole sana, lakini kauri inaweza kuingizwa kwa phosphoresce kwa inapokanzwa-mchakato unaoitwa “thermoluminescence.” Tangu kutolewa ni polepole, thermoluminescence inaweza kutumika hadi sasa ya kale. Mwanga mdogo uliotolewa, wakubwa wa kauri. (Angalia Kielelezo.)

Kielelezo: Atomi\(\PageIndex{6}\) waliohifadhiwa katika hali ya msisimko wakati takwimu hii ya kauri ya Kichina ilifukuzwa inaweza kuchochewa ili kuondosha na kutoa mionzi ya EM kwa kupokanzwa sampuli ya kauri-mchakato unaoitwa thermoluminescence. Kwa kuwa majimbo hupunguza polepole zaidi ya karne nyingi, kiasi cha thermoluminescence hupungua kwa umri, na hivyo inawezekana kutumia athari hii hadi sasa na kuthibitisha mambo ya kale. Takwimu hii inatoka karne ^ya 11. (mikopo: Vassil, Wikimedia Commons)

Lasers

Lasers leo ni kawaida. Lasers hutumiwa kusoma nambari za bar kwenye maduka na katika maktaba, maonyesho ya laser yanafanyika kwa ajili ya burudani, printa za laser zinazalisha picha za ubora kwa gharama ndogo, na lasers hutuma idadi kubwa ya ujumbe wa simu kupitia nyuzi za macho. Miongoni mwa mambo mengine, lasers pia huajiriwa katika uchunguzi, uongozi wa silaha, kutokomeza tumor, kulehemu retina, na kwa kusoma CD za muziki na CD-ROM za kompyuta.

Kwa nini lasers zina maombi mengi tofauti? Jibu ni kwamba lasers huzalisha mionzi ya EM moja-wavelength ambayo pia ni sawa sana-yaani, photoni zilizotolewa ziko katika awamu. Pato la laser linaweza, kwa hiyo, kuwa na ufanisi zaidi kuliko mionzi isiyochanganyika-wavelength EM kutoka vyanzo vingine. Sababu laser pato ni safi na thabiti ni msingi wa jinsi ni zinazozalishwa, ambayo kwa upande inategemea hali metastable katika vifaa lasing. Tuseme nyenzo na viwango vya nishati inavyoonekana katika Kielelezo. Wakati nishati inapowekwa katika mkusanyiko mkubwa wa atomi hizi, elektroni hufufuliwa kwa ngazi zote zinazowezekana. Wengi wanarudi kwenye hali ya chini chini ya karibu\(10^{-8} \, s\) lakini wale walio katika hali ya metastable hupungua. Hii inajumuisha elektroni hizo awali zilizofurahi kwa hali ya metastable na wale walioanguka ndani yake kutoka juu. Inawezekana kupata atomi nyingi katika hali ya metastable, hali inayoitwa inversion ya idadi ya watu.

Kielelezo\(\PageIndex{7}\): (a) Mchoro wa kiwango cha nishati kwa atomi inayoonyesha majimbo machache ya kwanza, ambayo moja ni metastable. (b) Mkubwa wa nishati pembejeo huvutia atomi kwa nchi mbalimbali. (c) Majimbo mengi yanaoza haraka, na kuacha elektroni tu katika hali ya metastable na ya ardhi. Ikiwa wengi wa elektroni ni katika hali ya metastable, inversion ya idadi ya watu imepatikana.

Mara baada ya kupinduliwa kwa idadi ya watu kunapatikana, jambo la kuvutia sana linaweza kutokea, kama inavyoonekana kwenye Kielelezo. Electron huanguka kwa urahisi kutoka hali ya metastable, ikitoa photon. Fotoni hii hupata atomi nyingine katika hali ya metastable na huchochea kuoza, ikitoa photon ya pili ya wavelength sawa na katika awamu na ya kwanza, na kadhalika. Uchafu unaosababishwa ni chafu ya mionzi ya umeme kwa namna ya photons ya mzunguko uliopewa, unaosababishwa na photons ya mzunguko huo. Kwa mfano, atomi ya msisimko, yenye elektroni katika obiti ya nishati ya juu kuliko ya kawaida, hutoa fotoni ya mzunguko maalum wakati elektroni inaporudi kwenye obiti ya chini ya nishati. Ikiwa photon hii inapiga elektroni nyingine katika obiti moja ya juu-nishati katika atomi nyingine, photon nyingine ya mzunguko huo hutolewa. Photons zilizotolewa na photons kuchochea daima ni katika awamu, kuwa na ubaguzi huo, na kusafiri katika mwelekeo huo. Uwezekano wa kunyonya fotoni ni sawa na uwezekano wa chafu iliyochochewa, na hivyo atomi nyingi zinapaswa kuwa katika hali ya metastable ili kuzalisha nishati. Einstein (tena Einstein, na nyuma katika 1917!) alikuwa mmoja wa wachangiaji muhimu kwa uelewa wa chafu drivas ya mionzi. Miongoni mwa mambo mengine, Einstein alikuwa wa kwanza kutambua kwamba kuchochea chafu na ngozi ni sawa uwezekano. Laser hufanya kama kifaa cha hifadhi ya nishati ya muda ambayo hatimaye hutoa pato kubwa la nishati ya moja-wavelength, photons katika awamu.

Kielelezo\(\PageIndex{8}\): atomi moja katika hali metastable kuwaka kuoza kwa kiwango cha chini, kuzalisha photon kwamba anaendelea kuchochea atomi nyingine de-Excite. Photon ya pili ina nishati sawa na wavelength kama ya kwanza na iko katika awamu nayo. Wote wanaendelea kuchochea chafu ya photons nyingine. Inversion ya idadi ya watu ni muhimu kwa kuwa na uzalishaji wavu badala ya ngozi ya wavu ya photons.

Laser jina ni kifupi kwa ajili ya amplification mwanga na kuchochea chafu ya mionzi, mchakato tu ilivyoelezwa. Mchakato huo ulipendekezwa na kuendelezwa kufuatia maendeleo katika fizikia ya quantum. Tuzo ya pamoja ya Nobel ilitolewa mwaka 1964 kwa Mmarekani Charles Townes (1915—), na Nikolay Basov (1922—2001) na Aleksandr Prokhorov (1916—2002), kutoka Umoja wa Kisovyeti, kwa ajili ya maendeleo ya lasers. Tuzo ya Nobel mwaka 1981 ilikwenda Arthur Schawlow (1921-1999) kwa ajili ya maombi ya laser ya awali. Vifaa vya awali viliitwa mabwana, kwa sababu walizalisha microwaves. Laser ya kwanza ya kazi iliundwa mwaka 1960 katika maabara ya Utafiti wa Hughes (CA) na T. Maiman. Ilitumia taa ya flash yenye nguvu ya juu yenye nguvu na fimbo ya ruby ili kuzalisha nuru nyekundu. Leo laser jina hutumiwa kwa vifaa vyote vilivyotengenezwa ili kuzalisha aina mbalimbali za wavelengths, ikiwa ni pamoja na microwave, infrared, inayoonekana, na mionzi ya ultraviolet. Kielelezo inaonyesha jinsi laser inaweza kuwa yalijengwa ili kuongeza chafu drivas ya mionzi. Pembejeo ya nishati inaweza kuwa kutoka kwenye tube ya flash, kutokwa kwa umeme, au vyanzo vingine, katika mchakato wakati mwingine huitwa kusukumia macho. Asilimia kubwa ya nishati ya awali ya kusukumia hupasuka kwa aina nyingine, lakini uingizaji wa idadi ya watu unapaswa kupatikana. Vioo inaweza kutumika kuongeza drivas chafu na kupita nyingi ya mionzi na kurudi kwa njia ya vifaa lasing. Moja ya vioo ni semitransparent kuruhusu baadhi ya mwanga kupita. Pato la laser kutoka laser ni 1% tu ya mwanga kupita na kurudi katika laser.

Kielelezo\(\PageIndex{9}\): Ujenzi wa laser wa kawaida una njia ya kusukumia nishati ndani ya vifaa vya lasing ili kuzalisha inversion ya idadi ya watu. (a) Uchafu wa pekee huanza na baadhi ya photons kukimbia na wengine kuchochea uzalishaji zaidi. (b) na (c) Vioo hutumiwa kuongeza uwezekano wa chafu iliyochochewa kwa kupitisha fotoni kupitia nyenzo mara kadhaa.

Lasers hujengwa kutoka kwa aina nyingi za vifaa vya lasing, ikiwa ni pamoja na gesi, vinywaji, yabisi, na semiconductors. Lakini lasers zote zinategemea kuwepo kwa hali ya metastable au vifaa vya phosphorescent. Baadhi lasers kuzalisha pato kuendelea; wengine ni pulsed katika kupasuka kwa kifupi kama\(10^{-14} \, s\). Baadhi ya matokeo laser ni fantastically nguvu-baadhi kubwa\(10^{12} \, W\) kuliko - lakini zaidi ya kawaida, lasers kila siku kuzalisha kitu juu ya utaratibu wa\(10^3\space W\). Laser ya helium-neon inayozalisha mwanga nyekundu ni ya kawaida sana. Kielelezo kinaonyesha viwango vya nishati ya heliamu na neon, jozi ya gesi nzuri zinazofanya kazi vizuri pamoja. Utoaji wa umeme unapitia mchanganyiko wa gesi ya helium-neon ambapo idadi ya atomi za heliamu ni mara kumi ya neon. Hali ya kwanza ya msisimko wa heliamu ni metastable na, kwa hiyo, huhifadhi nishati. Nishati hii inahamishwa kwa urahisi na mgongano kwa atomi za neon, kwa sababu zina hali ya msisimko kwa karibu nishati sawa na ile katika heliamu. Hali hiyo katika neon pia ni metastable, na hii ndiyo inayozalisha pato la laser. (Mpito mkubwa zaidi ni kwa hali ya jirani, huzalisha photons 1.96 eV, ambayo ina wavelength ya 633 nm na kuonekana nyekundu.) Inversion ya idadi ya watu inaweza kuzalishwa kwa neon, kwa sababu kuna atomi nyingi za heliamu na hizi zinaweka nishati ndani ya neon. Lasers ya helium-neon mara nyingi huwa na pato la kuendelea, kwa sababu inversion ya idadi ya watu inaweza kuhifadhiwa hata wakati lasing hutokea. Pengine lasers ya kawaida katika matumizi leo, ikiwa ni pamoja na pointer ya kawaida laser, ni semiconductor au diode lasers, iliyofanywa kwa silicon. Hapa, nishati hupigwa ndani ya nyenzo kwa kupitisha sasa katika kifaa ili kusisimua elektroni. Mipako maalum juu ya mwisho na cleavings faini ya vifaa semiconductor kuruhusu mwanga bounce na kurudi na sehemu ndogo kuibuka kama mwanga laser. Lasers za diode zinaweza kukimbia daima na kuzalisha matokeo katika aina ya milliwatt.

Kielelezo\(\PageIndex{10}\): Viwango vya nishati katika heliamu na neon. Katika laser ya kawaida ya helium-neon, kutokwa kwa umeme pampu nishati katika majimbo metastable ya atomi zote mbili. Mchanganyiko wa gesi una atomi za heliamu zaidi ya mara kumi kuliko atomi za neon. Msisimko atomi heliamu urahisi de-Excite kwa kuhamisha nishati kwa neon katika mgongano. Inversion ya idadi ya watu katika neon inafanikiwa, kuruhusu lasing na neon kutokea.

Kuna matumizi mengi ya matibabu ya lasers. Lasers wana faida kwamba wanaweza kuzingatia doa ndogo. Pia wana wavelength iliyofafanuliwa vizuri. Aina nyingi za lasers zinapatikana leo ambazo hutoa wavelengths kutoka ultraviolet hadi infrared. Hii ni muhimu, kama mtu anahitaji kuwa na uwezo wa kuchagua wavelength ambayo itakuwa preferentially kufyonzwa na nyenzo ya riba. Vitu kuonekana rangi fulani kwa sababu wao kunyonya nyingine zote inayoonekana rangi tukio juu yao. Nini wavelengths ni kufyonzwa inategemea nafasi ya nishati kati ya orbitals elektroni katika molekuli hiyo. Tofauti na atomi ya hidrojeni, molekuli za kibiolojia ni ngumu na zina wavelengths mbalimbali za kunyonya au mistari. Lakini hizi zinaweza kuamua na kutumika katika uteuzi wa laser na wavelength sahihi. Maji ni wazi kwa wigo inayoonekana lakini itachukua mwanga katika mikoa ya UV na IR. Damu (hemoglobin) huonyesha sana nyekundu lakini inachukua sana katika UV.

Upasuaji wa laser hutumia wavelength ambayo inaingizwa sana na tishu ambayo inalenga. Mfano mmoja wa matumizi ya matibabu ya lasers huonyeshwa kwenye Kielelezo. Retina iliyozuiliwa inaweza kusababisha hasara ya jumla ya maono. Burns yaliyotolewa na laser ililenga doa ndogo juu ya retina fomu kovu tishu ambayo inaweza kushikilia retina katika nafasi, kuokoa maono ya mgonjwa. Vyanzo vingine vya mwanga haviwezi kulenga kama vile laser kutokana na utawanyiko wa refractive wa wavelengths tofauti. Vile vile, laser upasuaji katika mfumo wa kukata au kuchoma mbali tishu ni alifanya sahihi zaidi kwa sababu laser pato inaweza kuwa just sana umakini na ni preferentially kufyonzwa kwa sababu ya wavelength yake moja. Kulingana na sehemu gani au safu ya retina inahitaji kutengeneza, aina inayofaa ya laser inaweza kuchaguliwa. Kwa ajili ya ukarabati wa machozi katika retina, laser ya kijani ya argon hutumiwa kwa ujumla. Mwanga huu unafyonzwa vizuri na tishu zilizo na damu, hivyo kuchanganya au “kulehemu” ya machozi inaweza kufanyika.

Kielelezo\(\PageIndex{11}\): Retina iliyozuiliwa inachomwa moto na laser iliyoundwa ili kuzingatia doa ndogo kwenye retina, tishu nyekundu zinazosababisha kuziweka mahali. Lens ya jicho hutumiwa kuzingatia mwanga, kama vile kifaa kinacholeta pato la laser kwa jicho.

Katika meno ya meno, matumizi ya lasers yanaongezeka. Lasers hutumiwa kwa kawaida kwa upasuaji kwenye tishu laini za kinywa. Wanaweza kutumika kuondoa vidonda, kuacha damu, na kuimarisha tishu za gum. Matumizi yao katika kukata mifupa na meno sio kawaida sana; hapa laser ya erbium YAG (yttrium alumini garnet) laser hutumiwa.

mchanganyiko mkubwa wa lasers inavyoonekana katika Kielelezo inaweza kutumika kushawishi fusion nyuklia, chanzo nishati ya jua na mabomu hidrojeni. Kwa kuwa lasers zinaweza kuzalisha nguvu za juu sana katika vidonda vifupi sana, zinaweza kutumiwa kuzingatia kiasi kikubwa cha nishati kwenye nyanja ndogo ya kioo iliyo na mafuta ya fusion. Sio tu kwamba nishati ya tukio huongeza joto la mafuta kwa kiasi kikubwa ili fusion inaweza kutokea, pia inasisitiza mafuta kwa wiani mkubwa, kuimarisha uwezekano wa fusion. Ukandamizaji au uharibifu unasababishwa na kasi ya photons laser inayoathiri.

Takwimu:\(\PageIndex{12}\) Mfumo huu wa lasers katika Maabara ya Lawrence Livermore hutumiwa kuwaka fusion ya nyuklia. Kupasuka kwa nishati kubwa kunalenga pellet ndogo ya mafuta, ambayo imploded kwa wiani wa juu na joto inahitajika ili kufanya majibu ya fusion kuendelea. (mikopo: Lawrence Livermore Maabara ya Taifa, Lawrence Livermore National Security, LLC, na Idara ya Nishati

CD za muziki sasa ni za kawaida kwamba rekodi za vinyl ni kale za kale. CD (na DVD) kuhifadhi habari digital na kuwa na uwezo mkubwa wa kuhifadhi habari kuliko rekodi vinyl. Encyclopedia nzima inaweza kuhifadhiwa kwenye CD moja. Kielelezo unaeleza jinsi habari ni kuhifadhiwa na kusoma kutoka CD. Mashimo yaliyofanywa kwenye CD na laser yanaweza kuwa vidogo na kwa usahihi sana ili kurekodi habari za digital. Hizi ni kusoma kwa kuwa na gharama nafuu imara-hali infrared laser boriti kutawanyika kutoka mashimo kama CD spins, akifunua muundo wao digital na habari encoded juu yao.

Kielelezo\(\PageIndex{13}\): CD ina habari ya digital iliyohifadhiwa kwa namna ya mashimo yaliyoundwa na laser juu ya uso wake. Hizi zinaweza kusomwa kwa kuchunguza mwanga wa laser uliotawanyika kutoka shimo. Uwezo mkubwa wa habari unawezekana kwa sababu ya usahihi wa laser. Lasers ya muda mfupi ya wavelength huwezesha uwezo mkubwa wa kuhifadhi.

Holograms, kama vile wale katika Kielelezo, ni kweli picha tatu-dimensional kumbukumbu kwenye filamu na lasers. Holograms hutumiwa kwa ajili ya pumbao, mapambo ya vitu vyema na vifuniko vya gazeti, usalama kwenye kadi za mkopo na leseni za dereva (laser na vifaa vingine vinahitajika kuzaliana), na kwa hifadhi kubwa ya habari tatu-dimensional. Unaweza kuona kwamba hologram ni picha ya kweli ya tatu-dimensional, kwa sababu vitu hubadilisha nafasi ya jamaa katika picha wakati unapotazamwa kutoka pembe tofauti.

Takwimu:\(\PageIndex{14}\) Kadi za mkopo huwa na holograms kwa nembo, na kuzifanya vigumu kuzaliana (mkopo: Dominic Alves, Flickr)

Jina la hologram linamaanisha “picha nzima” (kutoka holo ya Kigiriki, kama ilivyo kwa jumla), kwa sababu picha ni tatu-dimensional. Holography ni mchakato wa kuzalisha holograms na, ingawa zimeandikwa kwenye filamu ya picha, mchakato huo ni tofauti kabisa na kupiga picha ya kawaida. Holography inatumia kuingiliwa kwa mwanga au optics ya wimbi, wakati picha ya kawaida inatumia optics Kielelezo kinaonyesha njia moja ya kuzalisha hologramu. Mwanga unaofaa kutoka laser umegawanyika na kioo, na sehemu ya nuru inayoangaza kitu. Salio, inayoitwa boriti ya kumbukumbu, huangaza moja kwa moja kwenye kipande cha filamu. Mwanga uliotawanyika kutoka kwenye kitu huingilia boriti ya kumbukumbu, huzalisha kuingiliwa kwa kujenga na uharibifu. Matokeo yake, filamu iliyo wazi inaonekana kuwa ya foggy, lakini uchunguzi wa karibu unaonyesha muundo wa kuingiliwa ngumu uliohifadhiwa juu yake. Ambapo kuingiliwa kulikuwa na kujenga, filamu (hasi kweli) ni giza. Wakati mwingine holography huitwa kupiga picha isiyo na lensless, kwa sababu inatumia sifa za wimbi la mwanga kama kulinganishwa na kupiga picha za kawaida, ambayo inatumia optics ya kijiometri na hivyo inahitaji lenses.

Kielelezo\(\PageIndex{15}\): Uzalishaji wa hologramu. Nuru moja ya wavelength thabiti kutoka laser hutoa muundo wa kuingiliwa vizuri kwenye kipande cha filamu. Boriti ya laser imegawanywa na kioo cha fedha, na sehemu ya mwanga inayoangaza kitu na salio linaangaza moja kwa moja kwenye filamu.

Mwanga unaoanguka kwenye hologramu unaweza kuunda picha tatu-dimensional. Mchakato huo ni ngumu kwa undani, lakini misingi inaweza kueleweka kama inavyoonekana kwenye Kielelezo, ambapo laser ya aina moja ambayo imefunua filamu sasa inatumiwa kuiangaza. Mikoa michache ya wazi ya filamu ni giza na kuzuia mwanga, wakati mikoa isiyo wazi inaruhusu mwanga kupita. Filamu hiyo inafanya kazi kama mkusanyiko wa gratings diffraction na spacings mbalimbali. Mwanga unaopitia hologramu hutenganishwa kwa njia mbalimbali, huzalisha picha zote za kweli na za kawaida za kitu kilichotumiwa kufichua filamu. Mfano wa kuingiliwa ni sawa na ule uliozalishwa na kitu. Kusonga jicho lako katika maeneo mbalimbali katika muundo kuingiliwa inakupa mitazamo tofauti, kama kuangalia moja kwa moja katika kitu ingekuwa. Picha hiyo inaonekana kama kitu na ni tatu-dimensional kama kitu.

Kielelezo\(\PageIndex{16}\): Hologram ya maambukizi ni moja ambayo inazalisha picha halisi na za kawaida wakati laser ya aina moja kama ile iliyo wazi hologramu inapitia. Diffraction kutoka sehemu mbalimbali za filamu hutoa muundo sawa wa kuingiliwa kama kitu kilichotumiwa kuifichua.

hologramu mfano katika Kielelezo ni maambukizi hologramu. Holograms ambazo hutazamwa na mwanga uliojitokeza, kama vile hologramu nyeupe za mwanga kwenye kadi za mkopo, ni hologramu za kutafakari na ni za kawaida zaidi. White holograms mwanga mara nyingi kuonekana kidogo blurry na upinde wa mvua edges, kwa sababu mifumo diffraction ya rangi mbalimbali ya mwanga ni katika maeneo tofauti kidogo kutokana na wavelengths yao tofauti. Matumizi zaidi ya holography ni pamoja na aina zote za kuhifadhi habari 3-D, kama vile ya sanamu katika makumbusho na masomo ya uhandisi ya miundo na picha 3-D za viungo vya binadamu. Iliyotengenezwa mwishoni mwa miaka ya 1940 na Dennis Gabor (1900—1970), ambaye alishinda Tuzo ya Nobel ya Fizikia ya 1971 kwa kazi yake, holography ikawa zaidi ya vitendo na maendeleo ya laser. Kwa kuwa lasers huzalisha mwanga wa wavelength moja-wavelength, mifumo yao ya kuingiliwa inajulikana zaidi. Usahihi ni mkubwa sana hata inawezekana kurekodi hologramu nyingi kwenye kipande kimoja cha filamu kwa kubadilisha tu angle ya filamu kwa kila picha mfululizo. Hii ndio jinsi holograms zinazohamia unapotembea nazo zinazalishwa-aina ya filamu isiyo na lensless.

Kwa namna hiyo hiyo, katika uwanja wa matibabu, holograms zimeruhusu maonyesho kamili ya holographic ya 3-D ya vitu kutoka kwenye picha ya picha. Kuhifadhi picha hizi kwa matumizi ya baadaye ni rahisi. Kwa matumizi ya endoscope, picha za juu za 3-D za holographic za viungo vya ndani na tishu zinaweza kufanywa.

faharasa

metastable

hali ambao maisha yake ni amri ya ukubwa wa muda mrefu zaidi kuliko mataifa ya muda mfupi

uchochezi wa atomiki

hali ambayo atomi au ion hupata nishati muhimu ili kukuza moja au zaidi ya elektroni zake kwa majimbo ya elektroniki ya juu katika nishati kuliko hali yao ya ardhi

atomiki de-uchochezi

mchakato ambao atomi huhamisha kutoka hali ya umeme ya msisimko kurudi kwenye hali ya ardhi ya usanidi wa elektroniki; mara nyingi hutokea kwa chafu ya photon

laser

kifupi kwa ajili ya amplification mwanga na drivas chafu ya mionzi

fosforescence

msisimko wa hali ya metastable

ubadilishaji wa idadi ya watu

hali ambayo wengi wa atomi katika sampuli ni katika hali metastable

kuchochewa chafu

chafu kwa atomi au molekuli ambayo hali ya msisimko inachochewa kuoza, kwa urahisi zaidi husababishwa na photon ya nishati sawa ambayo ni muhimu kusisimua hali

hologram

ina maana picha nzima (kutoka kwa neno la Kigiriki holo, kama katika jumla), kwa sababu picha zinazozalishwa ni tatu dimensional

holography

mchakato wa kuzalisha holograms

fluorescence

mchakato wowote ambao atomi au molekuli, msisimko na photon ya nishati iliyotolewa, de-excites na chafu ya photon ya chini ya nishati