Ядра в лучах лазера - Гангрский Ю.П.
Скачать (прямая ссылка):
Взаимодействие лазерного излучения с конденсированными средами обусловлено в основном его поглощением поверхностным слоем. При этом из-за большей сложности спектров атомов и молекул процессы резонансного взаимодействия играют относительно меньшую роль, чем в случае разреженных газов. При поглощении лазерного излучения происходит локальное повышение температуры и давления, в результате чего вещество интенсивно испаряется. После этого взаимодействует излучение уже с парами вещества, что, как и в случае с газом, переводит его в состояние плазмы. При дальнейшем повышении плотности потока энергии лазерного излучения (выше 109 Вт/см2) характер взаимодействия уже не зависит от агрегатного состояния вещества, так как обо практически мгновенно переходит в плазму. Основная доля энергии излучения передается электронам. Их эффективная температура может достигать миллионов градусов (или сотен электронвольт).
Однако распределение электронов по энергиям сильно отличается от максвелловского. Вместо экспоненциального спада в сторону высоких энергий имеется интенсивная ветвь со значительно большей энергией. Эти электроны являются источником жесткого рентгеновского излучения (с энергией до нескольких килоэлектронвольт). Дальнейшее повышение плотности излучения приводит к росту температуры и, как следствие, к повышению интенсивности и средней энергии рентгенов-
7
ского излучения. Если лазерное излучение С ПЛОТНОСТЬЮ энергии 1014 Вт/см2 падает на вещество с большим атомным номером, (например, золото или свинец), то более половины его переходит в рентгеновское излучение.
Спектр рентгеновского излучения по своей форме близок к тормозному спектру электронов с граничной энергией в несколько десятков килоэлектронвольт. В этом спектре также наблюдаются дискретные линии, связанные с рекомбинацией электронов и ионов и с переходами электронов с одного энергетического уровня иона на другой. Таким образом, при указанных плотностях энергии происходит преобразование спектра лазерного излучения — от оптического с энергией в диапазоне электронвольт до рентгеновского с энергией в десятки килоэлектронвольт, т« е. увеличение средней энергии фотонов в тысячи раз.
Образующаяся при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с веществом высокотемпературная плазма является также источником ионов. Эти ионы могут иметь заряды до 15—20. Их энергия достигает сотен килоэлектронвольт. Дальнейшее повышение заряда и энергии ионов возможно при увеличении плотности энергии лазерного излучения. Например, при значении плотности энергии ~ 1018 Вт/см (для излучения неоди-мового лазера длиной волны 1,06 мкм) можно получить полностью лишенные электронов ионы элементов среднего атомного веса с энергией в десятки мегаэлектронвольт. Это открывает широкие возможности для создания эффективных ионных источников ускорителей, масс-сепараторов и т. д.
Достижимые на современных лазерах плотности потоков энергии излучения еще недостаточны для эффективного их воздействия на атомные ядра. Напряженности электрического поля в ядрах достигают 1017— 1019 В/см. Чтобы получить такие значения с помощью лазерного излучения, необходимы плотности энергии излучения, превышающие 1030 Вт/см2. Такая же ситуация имеет место и для рождения элементарных частиц в поле лазерного луча (в первую очередь пары электрон— позитрон, для образования которых требуется наименьшая энергия. Образование электрон—позитронной парьі в поле мощного луча лазера представляет собой световой пробой вакуума, что возможно, когда поле лазерного луча сообщает электрону энергию, равную энер-
8
гии покоя частицы. В этом случае на расстоянии порядка комптоновской длины рассеяния электрона (2,4-Ю-10 см) ему необходимо сообщить анергию, соответствующую сумме масс электрона и позитрона (1,02 МэВ). Для этого требуется напряженность электрического поля около 1016 В/см, которую создает лазерное излучение с плотностью энергии ~ 1029 Вт/см2. Необходимо отметить, что указанные явления в результате туннельного эффекта будут иметь место (со значительно меньшей вероятностью) и при более низких (в 10—100 раз) значениях напряженности электрического поля. Однако и при этом требуемые потоки энергии оказываются еще недостижимо высокими для используемых в настоящее время лазеров.
Тем не менее во многих рассмотренных выше явлениях, возникающих при взаимодействии лазерного излучения с веществом, в той или иной степени проявляется влияние атомного ядра. Распределение электрического заряда в ядре приводит к сдвигу и расщеплению атомных уровней, и это отражается на сечениях резонансного взаимодействия лазерного излучения с атомами (это явление подробно рассматривается в следующем разделе). Возникающее в лазерной плазме жесткое рентгеновское излучение может возбуждать различные уровни ядер (его энергия достаточна для этого). Кроме того, целый ряд ядерных процессов существенно зависит от состояния электронной оболочки атома, на которую воздействует лазерное излучение. Таким образом, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с веществом явления могут успешно использоваться для получения новых сведений о свойствах атомных ядер уже при достигаемых в настоящее время характеристиках излучения.
