Robots Curiosity, kurš atrodas uz Marsa virsas un to pēta, izmanto lāzeru, lai ar tā staru kūli uzkarsētu iežus līdz augstai temperatūrai. Šajā temperatūrā ieži izstaro elektromagnētiskos viļņus, kurus pēc tam analizē ar robotā iebūvētu spektrometru. Lāzera starojuma viļņa garums ir 1,067 mikrometri.
1. Kādā elektromagnētisko viļņu diapazonā šis lāzers staro?
2. Kāpēc iezī esošs atoms, saņemot enerģiju (piemēram, no lāzera starojuma), izstaro elektromagnētisko starojumu?
3. Paskaidro, kāpēc pēc vielas radītā elektromagnētiskā starojuma var noteikt, no kādiem ķīmiskajiem elementiem sastāv viela!
4. Robota Curiosity lāzers izstaro 5 nanosekunžu garus starojuma impulsus, kur katra impulsa enerģija ir 10 milidžouli. Lāzera impulss rada ieža enerģētisko apgaismojumu (starojuma jauda uz laukuma vienību) 10 MW uz 1 kvadrātmilimetru. Cik lielu ieža laukumu lāzers apstaro, ja pieņem, ka iezis saņem visu lāzera starojuma impulsa enerģiju?
1. Izsaka lāzera starojuma viļņa garumu metros \(\mathrm{1,067\space\mu m=1,067\cdot10^{-6}\space m}\). Pēc elektromagnētisko viļņu skalas nosaka, ka lāzera starojuma viļņa garums atbilst infrasarkanajam diapazonam.
2. Vieni no elementāriem elektromagnētisko viļņu starotājiem ir vielas atomi. Neierosinātā stāvoklī atomos elektroni izvietojušies pēc iespējas tuvāk kodolam un ieņem stāvokli ar mazāko enerģiju. Lai vielas atomi sāktu izstarot elektromagnētiskos viļņus vai gaismu, tie jāierosina, piešķirot noteiktu enerģijas daudzumu (uzdevumā – no lāzera starojuma). Ierosinātais stāvoklis nesaglabājas ilgi. Apmēram pēc \(10^{-8}\space\mathrm s\) elektrons no ierosinātā stāvokļa atgriežas pamatstāvoklī, izstarojot elektromagnētiskā starojuma enerģiju vai elektromagnētiskā starojuma kvantu.
3. Vielas var izstarot nepārtrauktus spektrus, līnijspektrus un joslu spektrus. Nepārtrauktos spektrus dod cieti ķermeņi un šķidrumi un saspiestas gāzes. Līnijspektrus izstaro vielas, kuras atrodas atomārā gāzveida stāvoklī. Joslu spektri, kurus izstaro gāzes molekulāros stāvokļos, sastāv no daudzām ļoti tuvu esošām līnijām, kas veido joslas.
Vielas līnijspektru viļņu garumi ir atkarīgi no šīs vielas atomu īpašībām, bet nav atkarīgi no atomu ierosināšanas veida. Katram ķīmiskajam elementam ir savs noteikts līnijspektrs. Šo parādību izmanto spektrālanalīzē. Spektrālanalīze ir vielas ķīmiskā sastāva noteikšana pēc tās spektra. Konkrēta ķīmiskā elementa esamību pētāmajā paraugā apstiprina fakts, ka parauga vielas līnijspektrā parādās šim elementam raksturīgās līnijas.
Lāzera starojuma impulsi sakarsē iezi līdz augstai temperatūrai. Daļēji notiek ieža iztvaicēšana. Rezultātā ieža atomi atrodas atomārā gāzveida stāvoklī un izstaro raksturīgu līnijspektru.
4. Lāzera starojuma impulsa jaudu \(P\) aprēķina pēc formulas \(P=\frac{W}{t}\), kur \(W\) – impulsa enerģija, \(t\) – impulsa ilgums. Apstaroto laukumu \(S\) nosaka, izmantojot proporciju: \(\frac{P_0}{S_0}=\frac{P}{S}\), kur \(P_0\) un \(S_0\) – lāzera starojuma dotie parametri, \(10\space\mathrm{MW}\) un \(1\space\mathrm{mm}^2\) atbilstoši. No proporcijas iegūst \(S=\frac{PS_0}{P_0}\).
Aprēķini: \(P=\frac{W}{t}=\frac{10\cdot10^{-3}}{5\cdot10^{-9}}=2\cdot10^6\space\mathrm {W}=2\space\mathrm{MW}\)
\(S=\frac{PS_0}{P_0}=\frac{2\cdot1}{10}=0,2\space\mathrm{mm^2}\).
Atbilde: lāzers apstaro \(0,2\space\mathrm{{mm}^2}\) lielu ieža laukumu.
Vērtēšanas kritēriji
1. Pārveido mērvienības un no elektromagnētisko viļņu skalas nosaka starojuma diapazonu – 1 punkts.
2. Skaidro elektromagnētiskā starojuma rašanos atomos – 1 punkts.
3. Zina, ka katram ķīmiskajam elementam ir atšķirīgs līnijspektrs – 1 punkts.
Izskaidro, kā iespējams noteikt vielas uzbūvi, izmantojot emisijas līnijspektrus – 1 punkts.
4. Saskaņo lielumu mērvienības. Zina vai atrod formulu lapā jaudas aprēķināšanas formulu un aprēķina lāzera impulsa jaudu – 1 punkts.
Plāno risinājumu, izmanto proporciju atbildes iegūšanai – 1 punkts.