28. Základy kvantové fyziky Kvantová fyzika vysvětluje fyzikální principy mikrosvěta. •
Megasvět – svět planet a hvězd
•
Makrosvět – svět v našem měřítku, pozorovatelný našimi smysly bez jakéhokoli zprostředkování
•
Mikrosvět – svět molekul, atomů a elementárních částic (elektronů, protonů, neutronů, fotonů {a dalších, např. neutrina, kvarky; antičástice – částice se stejnými vlastnostmi, ale opačným nábojem, jinými kvantovými čísly a několika dalšími veličinami}). V mikrosvětě nelze uvažovat s absolutní přesností; nelze prohlásit: za těchto okolností se to a to určitě stane. V mikrosvětě platí – za těchto okolností se to a to stane s určitou pravděpodobností. Mikrosvětem se zabývá molekulová fyzika, fyzika obalu a jádra atomu a kvantová fyzika. Při určování poloh a hodnot v mikrosvětě se musí používat matematický aparát statistiky a pravděpodobnosti, uvažovat náhodný jev.
Základní poznatky kvantové fyziky vznikly na začátku 20. století. Německý fyzik Max Planck tehdy prováděl experimentální měření křivek záření těles a dospěl k závěru, že se jeho měření mohou dostat do souladu s teorií pouze tehdy, když bude energie záření kvantována. Na základě Planckových pozorování a teoretických odvození vystoupil Albert Einstein s hypotézou, podle které se při emisi nebo absorpci světla atomem energie nepředává spojitě, nýbrž diskrétně po malých kvantech energie. Pro tato kvanta americký fyzikální chemik Lewis zavedl roku 1926 název fotony. Fotony lze považovat za částice s nulovou klidovou hmotností pohybující se ve vakuu rychlostí světla. Energie fotonu je úměrná frekvenci a konstantou úměrnosti je základní konstanta kvantové fyziky, tzv. Planckova konstanta h = 6,626 ⋅ 10–34 J: E=h⋅f Kromě Planckovy konstanty se (dokonce častěji) používá tzv. redukovaná Planckova h
konstanta ħ = 2 π =1,054.10-34 J.s.
Fotoelektrický jev Kvantové vlastnosti záření se výrazně projevují při fotoelektrickém jevu, který pozorujeme u kovů (vnější fotoelektrický jev) a polovodičů (vnitřní fotoelektrický jev). Fotoelektrický jev byl pozorován již v 19. století, ale až na začátku 20. století byl vysvětlen Albertem Einsteinem. Při vnějším fotoelektrickém jevu se působením záření uvolňují ze záporně nabitého kovu elektrony, které unikají z povrchu tělesa. Zinková destička (katoda) je připojena přes galvanometr k zápornému pólu zdroje. Po ozáření krátkovlnným zdrojem Z se z katody uvolňují elektrony, které jsou přitahovány k anodě (přitažlivý účinek anody je ovlivňován účinkem mřížky mezi katodou a anodou – ta působí jako rychlostní filtr) a dochází k uzavření elektrického obvodu – galvanometrem prochází malý proud (fotoproud). Experimentálně byly zjištěny zákonitosti vnějšího fotoelektrického jevu: 1. Pro každý kov existuje mezní frekvence světla fm, při níž dochází k fotoemisi. Je-li f < fm, k fotoelektrickému jevu nedochází.
2. Elektrický proud (počet emitovaných elektronů) je přímo úměrný intenzitě dopadajícího záření. 3. Rychlost emitovaných elektronů (tedy i jejich kinetická energie) je přímo úměrná frekvenci dopadajícího záření, závisí na materiálu katody, ale nezávisí na intenzitě dopadajícího záření. Klasická fyzika nedokázala uspokojivě vysvětlit závislost vzniku jevu na frekvenci a nezávislost energie elektronů na intenzitě dopadajícího záření. Vysvětlení podal v roce 1905 A. Einstein (s využitím Planckovy kvantové teorie) a za teorii fotoelektrického jevu získal v roce 1921 Nobelovu cenu. Einstein předpokládal, že elektromagnetická vlna o frekvenci f a vlnové délce λ je soubor částic, světelných kvant o určité energii a hybnosti. Pro tato kvanta platí: E = h ⋅f;
p = m⋅c =
E h ⋅f h = = c c λ
Při fotoelektrickém jevu každé kvantum záření předá svou energii pouze jednomu elektronu, který ji využije k uvolnění z kovu (výstupní práce Wv) a na zvýšení své kinetické energie. Einsteinova rovnice fotoelektrického jevu pak má tvar: h ⋅ f = Wv +
1 2
⋅ m e ⋅ v 2 = Wv + E k
Je-li f < fm, nemá kvantum záření dostatečnou energii na uvolnění elektronu z kovu. Je-li f ≥ fm, elektrony se ihned uvolňují a jejich počet (velikost fotoproudu) závisí na počtu dopadajících kvant, tj. na intenzitě záření. Některé kovy vykazují malou výstupní práci, neboť elektrony v jejich atomech jsou slabě vázány (např. u cesia fotoefekt nastává ve viditelné oblasti … λm = 642 nm), jiné kovy mají výstupní práci větší (např u zinku dochází k fotoefektu v ultrafialové oblasti). Fotoelektrický jev má široké využití v technice i v našem denním životě. Je základem snímacích prvků v televizních kamerách a digitálních fotoaparátech, v kopírkách a faxech. Slouží k automatickému nastavení expozice v moderních fotoaparátech, fotodiody reagují na světlo nebo infračervené záření v bezpečnostních systémech či v dálkovém ovládání televizorů, uplatňuje se při čtení čárového kódu na zboží. Polovodičové fotovoltaické články přeměňují sluneční energii na elektrickou atd. Fotorezistor – pokud není osvětlen, má velký odpor, který se po osvětlení snižuje a obvodem s fotorezistorem prochází proud úměrný intenzitě dopadajícího záření. Fotodioda – po osvětlení snižuje svůj odpor v závěrném směru (odporové zapojení) nebo na elektrodách diody vzniká napětí a fotodioda se stává zdrojem stejnosměrného napětí (hradlové zapojení). Comptonův jev - jev, dokazující, že elektromagnetické záření lze považovat za tok energetických kvant, fotonů, které v sobě spojují vlnové i částicové vlastnosti. Provedl jej poprvé v roce 1922 Arthur Compton jako soubor pokusů s rozptylem rentgenového záření na elektronech (rentgenové záření nechal dopadat na uhlíkovou destičku). V rozptýleném záření nalezl Compton nejen záření s původní frekvencí, ale i záření s frekvencí nižší (f′), což odporovalo předpokladu klasické fyziky, že frekvence ani vlnová délka se při rozptylu nemění. Pokládáme-li však foton za částici, lze rozptyl fotonu pokládat za pružnou srážku dvou částic a ze zákona zachování energie plyne: h ⋅ f = h ⋅ f′ + Ee‘,
z čehož vyplývá, že f′ < f, λ′ > λ . Spolu s fotoelektrickým jevem vyřešil Comptonův jev fyzikální spor, který se vlekl od 17. století. Newton považoval světlo za proud částic (teorie částicová, korpuskulární), Hyugens za vlnění světelného éteru (teorie vlnová, ungulární). Vzhledem k Newtonově popularitě a autoritě většina fyziků několik desítek let věřila spíše částicové teorii. Později dostala přednost teorie o vlnovém charakteru světla. Důvodem byla skutečnost, že odraz a lom lze vysvětlit pomocí obou teorií, ale interference, ohyb nebo polarizace jen vlnovou teorií. Zlom nastal až po vysvětlení fotoel. jevu a objevu Comptonova jevu. Tento pokus potvrdil, že fotony se mohou chovat jako částice i jako vlnění → korpuskulárně vlnový dualismus. Vlnové vlastnosti částic Fyzikové se jen zřídkakdy mýlili, když předpokládali symetrii v přírodě. Francouzský fyzik de Broglie se v roce 1924 rovněž dovolával symetrie. Jestliže je světlo vlnění, ale energii a hybnost předává hmotě v kvantech, mohly by mít naopak klasické pohybující se mikročástice (elektrony, protony, atomy i molekuly) vlnové vlastnosti. De Broglie vyslovil domněnku, že s každou částicí o hybnosti p je spjato vlnění, které se označuje jako de Broglieovy vlny (hmotnostní vlny) o vlnové délce h h λ= = p m⋅v m je hmotnost částice (klidová, nebo pro rychlosti v → c relativistická), v rychlost pohybující se částice, h Planckova konstanta. De Broglieovy vlny byly dokázány při ohybu rychle letících elektronů na kovových krystalech už v roce 1927 (Davissonův-Germerův pokus), kdy byl poprvé pozorován interferenční obraz podobně jako při difrakci rentgenového záření. Elektrony jsou urychlovány napětím U a získávají kinetickou energii a rychlost:
E k = 12 ⋅ m e ⋅ v 2 = e ⋅ U
v=
2⋅e⋅U me
Vlnová délka de Broglieovy vlny je λ=
h
=
h
me ⋅ v 2 ⋅ e ⋅ me ⋅ U Teoreticky vypočítaná vlnová délka souhlasila s výsledkem experimentu. V dalších pokusech byla pozorována difrakce neutronů i celých atomů. Stejně jako v případě elektromagnetických vln, nelze vlnové a částicové vlastnosti pohybujících se částic nikdy pozorovat současně. Pohyb částic v mikrosvětě má náhodný, pravděpodobnostní charakter. Jestliže např. zvukové vlny jsou popsány rovnicemi newtonovské mechaniky a světelné vlny Maxwellovými rovnicemi, lze de Broglieovy vlny popsat složitými Schrödingerovými rovnicemi, jejichž řešením je vlnová funkce ψ (x, y, z, t). Druhá mocnina této funkce |ψ|2 umožňuje určit pravděpodobnost výskytu částice v daném okamžiku na daném místě. Heisenbergův princip neurčitosti -princip formulovaný již v roce 1927 Wernerem Heisenbergem. Konstatuje, že ani nejlepšími měřicími zařízeními, které nám může poskytnout moderní technika, nemůžeme s neomezenou přesností stanovit současně polohu a hybnost sledované částice. Platí následující meze známé pod názvem Heisenbergův princip neurčitosti: ∆x.∆px ≥ ħ ∆y.∆py ≥ ħ ∆z.∆pz ≥ ħ Tedy: součin neurčitosti polohy a neurčitosti hybnosti nikdy nemůže být menší než ħ.
Pozn.1: Vlnové chování částic má významné technické využití. Na jeho základě byly např.zkonstruovány elektronové a iontové mikroskopy, v nichž místo světelných paprsků vystupují svazky částic (elektronů, iontů) a jejichž rozlišovací schopnost je určena délkou de Broglieovy vlny. Pozn.2: Kvantová mechanika se zabývá mechanickým pohybem částic v mikrosvětě. Na rozdíl od klasické mechaniky musí ovšem brát v úvahu vlnový a pravděpodobnostní charakter pohybu částic. Přesto však mezi oběma existuje souvislost a pokud budeme přecházet od částic k makroskopickým tělesům, budou se vlnové délky de Broglieových vln jevit nekonečně malé a zákony kvantové mechaniky přejdou v zákony mechaniky klasické (podobně jako vztahy a zákony relativistické fyziky přecházejí v zákony klasické fyziky, jsouli rychlosti částic a těles mnohem menší než je rychlost světla ve vakuu).
Atomová fyzika Atomová fyzika se zabývá vlastnostmi a pohybem elektronů v elektronovém obalu atomu (jádro přitom zůstává neměnné). Energie zkoumané z hlediska atomové fyziky jsou proto poměrně malé, řádově několik elektronvoltů na částici. Naproti tomu jaderná fyzika zkoumá pohyb uvnitř atomových jader a jejich přeměny. Přitom se může uvolňovat energie řádově milionů elektronvoltů na částici, a té se využívá např. v jaderných elektrárnách.
Modely atomu Myšlenku, že se všechna tělesa skládají z částic (atomů), vyslovili již v 5. století př. n. l. řečtí filosofové Démokritos z Abdéru, Leukippos z Milétu a Epikúros ze Sámu. Byla to ovšem pouze geniální domněnka, kterou neuměli dokázat. Vývoj názorů na stavbu atomu 1. Pudinkový model (1897): Joseph John Thomson – atom je spojitě naplněn kladnou hmotou, v ní jsou záporné elektrony (Thomson na přelomu 19. a 20. století vyslovil na základě Edisonových a vlastních experimentů hypotézu o existenci elektronu a jeho záporném náboji, kterou v roce 1910 potvrdil experimentálně Robert Andrews Millikan). 2. Planetární model (1911): Ernest Rutherford – výsledky jeho známého pokusu s rozptylem záření α na tenké kovové fólii vedly Rutherforda k představě, že v jádře je téměř veškerá − 15 m , atom hmotnost atomu, elektrony obíhají kolem jádra jako planety. Jádro d ≈ 10 − 10 d ≈ 10 m . Rutherford navíc vyslovil předpoklad, že kromě kladných částic (protonů) existují v jádře atomu i elektricky neutrální částice. To v roce 1932 potvrdil objevem neutronů James Chadwick – za svůj objev dostal v roce 1935 Nobelovu cenu. Ukázalo se ovšem, že Rutherfordův model atomu byl v rozporu se zákony klasické fyziky, podle nichž pohybující se elektron vysílá elektromagnetické záření na úkor své kinetické energie, přibližoval by se k jádru, nakonec by s ním splynul a atom by zanikl. 3. Bohrův model (1913): Tento zásadní nedostatek se pokusil odstranit dánský fyzik Niels Bohr formulací svých dvou postulátů: 1. Elektron se může pohybovat kolem jádra jen po určitých dráhách – orbitech - a přitom nevyzařuje energii. Pro předpokládanou kruhovou dráhu elektronu vypočítal oběžnou rychlost elektronu: 2π r = n λ = n
h n⋅h ⇒v= mev 2 ⋅ π ⋅ r ⋅ me , (h – Planckova konstanta, n – kvantové číslo)
a s použitím Coulombova zákona určil poloměr kruhové dráhy elektronu: ε 0 ⋅ h2 1 e2 v2 Fe = Fd ⇒ ⋅ 2 = me r= ⋅ n2 . , po dosazení: 2 4πε 0 r r me ⋅ π ⋅ e
2. Elektron vyzařuje nebo přijímá energii pouze při přechodu z jednoho stacionárního stavu do druhého, energeticky odlišného (při přeskoku z jedné energetické hladiny na druhou): E = E1 – E2 = h.f. Energie atomu je tedy kvantována a Bohrův model byl první kvantový model atomu.Niels Bohr svým modelem atomu učinil geniální, i když neúplný krok ke kvantové teorii. Bohrovy představy o stavbě atomu a kvantování jeho energie potvrdil experimentálně a) Franckův – Hertzův pokus (1912 – 1914) b) navíc se tato představa spojila dodatečně s pokusy prováděnými v r. 1885 profesorem Balmerem ( profesor dívčího gymnázia v Basileji), které souvisely se zkoumáním spektra vodíku. 4. Slupkový model (1919): Arnold Sommerfeld – zavedl pro každý elektron v atomu celkem 4 kvantová čísla: 1) Hlavní kvantové číslo: n ∈ {1, 2 ,... } – kvantuje energii atomu a souvisí s velikostí orbitalu. 2) Vedlejší (orbitální) kvantové číslo.: l ∈ {0 ,1, 2 ,... n − 1 } – také kvantuje energii a určuje tvar orbitalu. Ve spektrometrii je označováno písmenem (s, p, d, f, g,…). 3) Magnetické kvantové číslo.: m ∈ {− l , − l + 1,... 0 ,... l − 1, l } – určuje orientaci orbitalu v prostoru, počet hodnot udává počet příslušných orbitalů. 1 4) Spinové kvantové číslo.: s = ± 2 – charakterizuje magnetický moment elektronu.
Pauliho vylučovací princip V atomu nemohou být dva elektrony, jejichž všechna čtyři kvantová čísla by byla stejná. Pozn.: Dnes víme, že se Pauliho princip vztahuje na fermiony – částice, k nimž patří např. elektron, proton i neutron. Existují však částice, pro něž Pauliho princip neplatí – bosony (např. foton) Periodická soustava Stavy s hlavním kvantovým číslem 1..5 označujeme jako slupky K, L, M, N, O. V každé slupce rozlišujeme podslupky s, p, d, f, g. Slupky s nižšími kvantovými čísly nazýváme vnitřní, poslední (vnější) slupka je valenční – rozhoduje o chemických vlastnostech prvku. Slupka K L
n 1 2
M
3
N
4
l 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3
m 0 0 -1,0,1 0 -1,0,1 -2,-1,0,1,2 0 -1,0,1 -2,-1,0,1,2 -3,-2,-1,0,1,2,3
druh orbitalu 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f
počet orbitalů počet elektronů ve slupce 1 2 1 8 3 1 18 3 5 1 3 32 5 7
5. Kvantově mechanický model (1925): ErwinSchrödinger, Paul Dirac – atomy se mohou nacházet pouze v určitých stacionárních stavech. Stacionární stavy jsou popsány vlnovou 2 funkcí ψ ( x , y , z , t ) a hustotou pravděpodobnosti ψ , která určuje s jakou pravděpodobností bude v daném okamžiku elektron na daném místě. Úvahy o stavbě atomu se opíraly o geniální analogii se stojatým vlněním na struně – výskyt elektronu je
nejpravděpodobnější v místě, které na struně odpovídá kmitně. Naopak v místě, které odpovídá uzlu na struně, je výskyt elektronu nejméně pravděpodobný. Pravidla pro výstavbu elektronového obalu Orbital je oblast v prostoru, kde je největší pravděpodobnost výskytu elektronu. Výstavbový princip (empirické pravidlo, z něhož existují výjimky): Nejdříve se zaplňují orbitaly s nejnižší energií.
Pravidlo n+l Elektrony zaplňují nejdříve ten orbital, jehož součet n+l je nejnižší. Mají-li dva orbitaly stejný součet n+l, je rozhodující nižší hodnota n. 3p (3+1=4), 3d (3+2=5), 4s (4+0=4), 4p (4+1=5) 3p, 4s, 3d, 4p Výstavbový trojúhelník: 4f 5f 3d 4d 5d 2p 3p 4p 5p 1s 2s 3s 4s 5s
6f 6d 6p 6s
7f 7d 7p 7s
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, 6f, 7d, 7f s orbitaly:
p orbitaly:
d orbitaly:
f orbitaly:
Druhy spekter K poznání stavby elektronového obalu atomu velmi napomáhá spektroskopie. Příčinou vzhledu spektra jsou přechody elektronů mezi různými energetickými hladinami v atomovém obalu. Druhy spekter podle vzhledu: 1) Čárové: atomy zářících plynů a par prvků – charakteristické pro daný prvek tak jako otisk prstu pro každého člověka. Podle spektra lze každý prvek jednoznačně identifikovat (spektrální analýza). Pásové: páry sloučenin – je tvořeno barevnými pásy velkého množství spektrálních čar ležících v těsné blízkosti, tyto skupiny jsou pak od sebe odděleny tmavými pásy. Spojité: žhnoucí látky pevné nebo kapalné – např. Slunce (ale i jiná zahřátá tělesa) vysílá elmg. záření všech vlnových délek a má spojité spektrum Druhy spekter podle způsobu vzniku: 2) Emisní: emitto = vysílám Absorpční: absorbeo = pohlcuji – látka pohlcuje stejné frekvence jako sama vyzařuje. Např. spojité záření, které vzniká uvnitř Slunce (hvězdy), prochází jeho chromosférou a atmosférou Země a v nich je záření určitých vlnových délek pohlcováno. Na pozadí spojitého spektra Slunce (hvězdy) se pak objevuje soustava tmavých absorpčních čar (Fraunhoferovy čáry). Podle nich je možno určovat chemické složení sluneční nebo hvězdné atmosféry. Tímto způsobem byl např. objeven prvek helium dříve na Slunci než na Zemi. Pozn.: Jako jedno z prvních bylo zkoumáno spektrum vodíku: Čáry vodíkového spektra se řadily do sérií, jejichž frekvence bylo možno vyjádřit vzorcem 1 1 f = R.( 2 − 2 ), kde n 〉 m, n,m = 1, 2, 3,… a R = 3,290.1015 Hz je Rydbergova m n frekvence. Uvedené spektrální zákonitosti lze vysvětlit jen tak, že atom vodíku se může nacházet pouze na určitých energetických hladinách, a při přechodech z vyšší hladiny na nižší
vyzařuje elektromagnetické záření. Navíc lze vzorec upravit f.h = R.h.( energetické hladiny vodíku plyne : En = -
h .R . n2
1 1 − 2 ), odkud pro 2 m n
Lasery Slovo „laser“ je zkratka pro „light amplification by the stimulated emission of radiation“ (zesilování světla stimulovanou emisí záření). Einstein tento pojem zavedl již v roce 1917, ale první laser byl uveden do provozu až v roce 1960. Předpokládejme, že se izolovaný atom může nacházet buď ve stavu s nejnižší energií E0 (jeho základní stav), nebo ve stavu s vyšší energií Ex. Existují 3 způsoby, jak se atom může dostat z jednoho z těchto stavů do druhého: před interakcí 1. h.f
proces
po interakci
Ex
Ex absorpce energie
žádné
E0
2.
E0
Ex žádné
Ex spontánní emise
h.f E0
E0
3.
h.f
Ex
Ex
h.f
stimulovaná emise E0
E0 h.f
záření
hmota
hmota
záření 1. Absorpce: atom v nižším energetickém stavu pohltí foton odpovídající frekvence a přejde do vyššího energetického stavu. 2. Spontánní emise: samovolný přechod z vyššího (excitovaného) do nižšího energetického stavu s vyzářením fotonu. Probíhá v nahodilém okamžiku, vzniklé záření je nekoherentní. 3. Stimulovaná emise: foton dopadá na atom ve vyšším energetickém stavu a přiměje ho k přechodu do nižšího energetického stavu za vyzáření fotonu, původní foton se přitom nepohltí, oba fotony letí stejným směrem a jsou synchronizovány (stejná f i ϕ). Záření se zesiluje a může se lavinovitě šířit. Stimulovaná emise a absorpce: jsou vlastně procesy opačné a oba stejně pravděpodobné. Jeli více atomů na vyšší energetické hladině, převládá emise, v opačném případě absorpce. Těleso v termodynamické rovnováze má vždy více atomů na nižších energetických hladinách. Dodáním energie (zahřátím, osvětlením, elektrickým proudem, chemickou reakcí,…) tak, aby převážil počet atomů na vyšší hladině (populační inverze), vzniká aktivní prostředí (při průchodu světla látkou se intenzita světla zvýší). Excitované hladiny, na nichž může atom setrvávat poměrně dlouhou dobu (10–8s a déle, dokonce až 10-3s), se nazývají metastabilní hladiny.
a) Nahromadí-li se atomy na takové hladině a pak postupně, nahodile spontánně vyzařují, pozorujeme jev zvaný luminiscence. Jde o známé „studené světlo“ (světlušky, zářivky, televizní obrazovky, …). b) Překročí-li energie dodávaná tělesu určitou prahovou mez a vytvoříme-li zpětnou vazbu (např. umístěním tělesa mezi 2 rovnoběžná zrcadla, kde se může světelný paprsek mnohonásobně odrážet, vyvolávat další přechody z metastabilní hladiny a sílit), pak dojde ke spuštění mechanizmu stimulované emise a vznikne laser. Paprsek laseru je úzce směrován (neboť paprsky odchylující se od optické osy po několika odrazech systém bez zesílení opustí), je vysoce monofrekvenční (všechny fotony kmitají se stejnou fází), je vysoce koherentní a nese s sebou značnou energii. F
m ⋅ ∆v
∆p
∆E
J
Světelný tlak: p = ∆S = ∆S ⋅ ∆t = ∆S ⋅ ∆t = c ⋅ ∆S ⋅ ∆t = c , kde J je hustota zářivého toku. Tento světelný tlak je u běžných světelných zdrojů prakticky nepozorovatelný. U běžných laserů však dosahuje hodnot jednotek MPa, u výkonných laserů dokonce jednotek Gpa (těchto hodnot se dosahuje i díky tomu, že laserové světlo lze ostře zfokusovat). Pozn. Nejmenší lasery, používané k přenosu hlasu a dat optickými vlákny, mají jako aktivní prvek krystal polovodiče rozměru špendlíkové hlavičky a generují světlo výkonu kolem 200 mW. Největší lasery, používané při výzkumu jaderné fúze, v astronomii a ve vojenských aplikacích, zaplňují velké budovy. Největší z nich na přelomu tisíciletí mohl generovat krátký pulz laserového světla o výkonu 1014 W (tj. o dva řády víc, než je např. celková kapacita výroby elektřiny v USA). Využití laseru: v medicíně (různé druhy operací), k přenosu informací, při čtení čárových kódů,, při výrobě a čtení kompaktních disků, k vyměřování, pro stříhání látek v oděvním průmyslu (vrstva několika stovet látek současně), při svařování karoserií aut, k prostorovému zobrazení (holografie).
Maser – využití mikrovln. Typy laserů (existuje velké množství druhů laserů lišících se především charakterem aktivního prostředí a způsobem, jakým je jim dodávána (čerpána) energie): 1) opticky čerpané lasery – energie je dodávána v podobě nekoherentního světla výbojky a) rubínový laser – tříhladinový princip: pohlcení světla E3 E2 výbojky E 1 → E 3 , E 3 → E 2 je nezářivý, E 2 → E 1 - E1 laserové záření b) neodymový laser – čtyřhladinový princip: pohlcení světla E3 E výbojky E 1 → E 3 , E 3 → E 2 je nezářivý, E 2 → E 1 - E21 E0 laserové záření, E 1 → E 0 je nezářivý 2) plynové lasery – energii získávají při srážkách atomů v elektrickém výboji (helioneonový laser) 3) polovodičové lasery – energie je dodávána ve formě elektrické energie. Využití u velkoplošných obrazovek, snímač CD, laserové tiskárny. 4) chemické lasery – energie je čerpána z chemických reakcí.
