Многоэлектронные атомы. Спектры атомов и молекул. Спонтанное и вынужденное излучение

Лекция

Многоэлектронные атомы

Спектры атомов и молекул

Спонтанное и вынужденное излучение

1.  Строение многоэлектронных атомов. Периодическая система элементов

2.  Оптические спектры. Результирующий момент многоэлектронного атома

3.  Рентгеновские спектры. Закон Мозли

4.  Взаимодействие атомов. Природа химической связи. Спектры молекул

5.  Правила отбора

6.  Спонтанное и индуцированное излучение

6.1.  Свойства индуцированного излучения

6.2.  Инверсия зеселённостей. Принцип работы лазера

6.3.  Свойства лазерного излучения

1. Строение многоэлектронных атомов. Периодическая система элементов

Состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами:

– главным n (n=1, 2, … ∞),

– орбитальным l (l=0, 1, 2, … n–1),

– магнитным ml (ml=0, ±1, ±2, … ±l),

– спиновым ms ().

Данному n соответствуют n2 состояний, отличающихся значениями l и ml. В атоме водорода энергия электрона зависит от n , а также зависит от ms, но очень слабо, и не зависит от l и ml. Каждый уровень энергии является вырожденным, причём кратность вырождения равна n2 (см. лекцию № 22).

С тем же успехом вместо четвёрки чисел: n, l, ml и ms можно использовать другую четвёрку: n, l, j (квантовое число полного момента) и m j (квантовое число проекции полного момента).

В многоэлектронных атомах состояние каждого электрона определяется теми же квантовыми числами, что и в атоме водорода. Влияние на данный электрон остальных электронов проявляется в том, что поле, в котором движется электрон, перестаёт быть кулоновским (то есть изменяющимся по закону обратных квадратов: ). Это обусловливает зависимость энергии электрона также и от орбитального квантового числа l (снимается вырождение по квантовому числу l). Энергия состояния зависит в основном от чисел n и l. Кроме того, имеется слабая зависимость энергии от ml и ms, поскольку их значения связаны с взаимной ориентацией моментов и , от которой зависит величина взаимодействия между орбитальным и собственным моментами электрона.

Распределение электронов в атоме по уровням энергии осуществляется в соответствии с принципами:

1. Принцип Паули. В одном атоме не может быть двух и более электронов, находящихся в одинаковом стационарном состоянии, то есть с одинаковым набором всех четырёх квантовых чисел.

2. Принцип минимума энергии. В первую очередь заполняются уровни с минимальной энергией, то есть с наименьшими квантовыми числами n, l, ml, ms.

Рис.1.3

 
За некоторыми исключениями, энергия состояния сильнее возрастает с увеличением числа n, чем с увеличением l. Поэтому, как правило, состояние с большим n обладает, независимо от значения l, большей энергией.

В нормальном (невозбуждённом) состоянии атома электроны располагаются на самых низких доступных для них энергетических уровнях. Совокупность электронов, имеющих одинаковые n и l, образуют оболочку. Совокупность оболочек с одинаковым n образуют слой. Подразделение возможных состояний в атоме на оболочки и слои показано в табл.23.1 и на рис.23.1.

В атоме водорода в основном состоянии имеется один электрон (1s). Если заряд ядра увеличить на единицу и добавить один электрон, получится атом гелия. Оба электрона в атоме гелия в основном состоянии находятся в K-слое. Электронная конфигурация записывается как 1s2. На атоме гелия заканчивается заполнение K-слоя. Третий электрон атома лития может занять лишь уровень n=2; электронная конфигурация 1s22s. Третий электрон лития, занимая более высокий энергетический уровень, чем остальные два электрона, оказывается слабее, чем они, связанным с ядром атома. В результате он определяет оптические и химические свойства атома.

У четвертого элемента, бериллия, полностью заполняется оболочка 2s. У последующих шести элементов (B, C, N, O, F, Ne) заполняется оболочка 2p. Неон имеет полностью заполненные слои K (двумя электронами) и L (восемью электронами), образующие устойчивую систему, подобную системе гелия, чем обуславливаются специфические свойства инертных газов.

Одиннадцатый элемент, натрий, имеет один электрон в оболочке 3s. Электронная конфигурация имеет вид 1s22s22p63s. Внешний электрон 3s связан с ядром слабее других и является валентным или оптическим электроном. Химические и оптические свойства натрия подобны свойствам лития.

У следующих за натрием элементов нормально заполняются оболочки 3s и 3p. Оболочка 3d оказывается энергетически выше оболочки 4s, поэтому при незавершённом в целом заполнении слоя M начинается заполнение слоя N – это калий и кальций. Оболочка 4p лежит уже выше, чем 3d, так что после 4s заполняется оболочка 3d (скандий – никель).

Аналогично осуществляется застройка электронных уровней всех атомов. Энергия оболочек увеличивается в последовательности (см. рис.23.1):

1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p<6s<4f≈5d<6p<7s<5f≈6d.

При этом периодически повторяются сходные конфигурации сверх полностью заполненных оболочек или слоёв, чем обусловлена периодическая повторяемость химических и оптических свойств атомов.

Табл.23.1

Слой

n

l

ml

ms

Обо-

лочка

Максимальное число электронов в оболочке

Максимальное число электронов в слое

2 n2

Элемент,

число

электронов

z

K

1

0

0

1s

2

2

H (1),

He (2)

L

2

0

0

2s

2

8

Li (3),

Be (4)

1

0

±1

2p

6

B (5),

Ne (10)

M

3

0

0

3s

2

18

Na (11)

Mg (12)

1

0

±1

3p

6

Al (13),

Ar (18)

2

0

±1

±2

3d

10

Sc (21),

Ni (28)

N

4

0

0

4s

2

32

K (19),

Ca (20)

2. Оптические спектры. Результирующий момент многоэлектронного атома

Каждый электрон в атоме обладает орбитальным моментом импульса и собственным (спиновым) моментом . Механические моменты связаны с соответствующими магнитными моментами. Вследствие этого между моментами электронов атома имеется взаимодействие, подобно тому как взаимодействуют магнитные стрелки или электрические токи.

Механический и магнитный моменты атома складываются из орбитальных и спиновых моментов отдельных электронов. У лёгких и средних атомов орбитальные моменты электронов взаимодействуют сильнее между собой, чем с собственными спиновыми моментами, которые в свою очередь связаны сильнее друг с другом, чем с орбитальными. Вследствие этого все орбитальные моменты электронов атома складываются в результирующий момент ; моменты складываются в результирующий момент , а затем уже и дают суммарный момент атома :

. (23.1)

Векторам , и отвечают соответствующие квантовые числа: L – орбитальное квантовое число атома; S – спиновое квантовое число атома и J – квантовое число результирующего момента. Они определяют величины соответствующих векторов:

; (23.2)

; (23.3)

. (23.4)

В случае двух электронов, например, квантовое число L может иметь значения:

L=l1+l2, l1+l2–1, l1+l2–2, … |l1l2|, (23.5)

где l1 и l2 – орбитальные квантовые числа, определяющие модули складываемых моментов по формуле (23.6):

. (23.6)

Проекция результирующего момента на некоторое направление Z определяется выражением:

, , , , …, . (23.7)

Проекция результирующего спинового момента на ось Z определяется аналогичным выражением:

, , , …, . (23.8)

При сложении и квантовое число J результирующего момента импульса атома может иметь одно из следующих значений: J=L+S; L+S–1 ; L+S–2; …│LS│.

Проекция полного механического момента атома на направление Z определяется формулой:

, , , …, . (23.9)

С механическими моментами связаны магнитные моменты, которые взаимодействуют между собой. Поэтому энергия атома зависит от взаимной ориентации всех моментов.

Для характеристики состояния атома пользуются символической записью, которая содержит информацию о значениях квантовых чисел. Этот символ (терм) имеет вид:

,

где под L подразумевается одна из букв S, P, D, F, … в зависимости от значений числа L (L=0, 1, 2, 3, ...). Например, терм описывает состояние с L=1, S=1, J=2. Число даёт мультиплетность терма, то есть число подуровней для данного значения L (впрочем, лишь в случае, если S<L; если S>L, число подуровней равно ).

Для определения векторов , и достаточно ограничиться только внешними, валентными, электронами, если внутренние оболочки атома полностью заполнены электронами. В этом случае моменты импульса внутренних электронов, как орбитальные, так и спиновые, полностью скомпенсированы, то есть полные моменты внутренних оболочек равны нулю.

Простейший пример: для одноэлектронного атома (или атома с единственным валентным электроном) s=½, возможны 2 значения квантового числа результирующего момента: j=l±½, если l≠0; а при l=0 j принимает единственное значение j=½.

Оптические спектры, возникающие при переходах слабее всего связанных с ядром оптических (валентных) электронов, лежат в видимой и ультрафиолетовой областях. Схема энергетических уровней внешней электронной оболочки многоэлектронных атомов гораздо сложнее, чем у водородоподобных атомов. Поэтому оптические спектры атомов чрезвычайно сложны.

Спектры щёлочных металлов (рис.23.2), имеющих во внешней электронной оболочке единственный электрон, похожи на спектр атома водорода (рис.23.3). Они состоят из нескольких серий и могут быть описаны формулой:

,

где – спектральный терм, имеющий более сложный вид, чем бальмеровский терм для атома водорода: .

Переходы электронов между энергетическими уровнями должны подчиняться правилам отбора. Эти правила следуют из закона сохранения момента импульса. Спин фотона равен единице, то есть фотон обладает собственным моментом импульса. Поэтому при испускании фотон уносит из атома этот момент, а при поглощении привносит. Если в начальном или конечном состоянии квантовое число результирующего момента атома равно J=0, переход с излучением или поглощением возможен лишь при изменении J на единицу:

ΔJ=±1.

Если начальный и конечный момент атома при переходе не равны 0, возможны переходы

ΔJ=0; ±1 (при Jнач.≠0 или Jкон.≠0).

Аналогично: Δl=±1;

Δml=0; ±1;

ΔmS=0;

ΔL=0; ±1 (переход Lнач.=0 → Lкон.=0 запрещён);

ΔS=0.


3. Рентгеновские спектры. Закон Мозли

Рентгеновское излучение получают в вакуумных рентгеновских трубках при бомбардировке антикатода сильно ускоренными в электрическом поле электронами. При достаточной энергии бомбардирующих электронов на фоне сплошного тормозного спектра появляются резкие линии характеристического спектра, характерные для каждого вида атомов материала антикатода (рис.23.4).

Рентгеновский характеристический спектр возникает благодаря вырыванию внутренних электронов из K, L, и т. д. оболочек и переходам верхних электронов на освободившиеся уровни.

Рентгеновские спектры отличаются заметной простотой. Кроме того, спектры различных элементов очень похожи друг на друга, так как строение нижних заполненных уровней атомов различных элементов имеют одинаковое строение. Спектры состоят из нескольких серий, обозначаемых буквами K, L, M, N и O. Каждая серия насчитывает небольшое число линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами α, β, γ и т. д. Схема возникновения рентгеновских спектров и обозначения линий даны на рис.23.5.


Мозли установил, что длины волн в спектрах характеристического рентгеновского излучения описываются простой формулой:

, (23.10)

где – постоянная Ридберга; z – зарядовое число элемента; и – квантовые числа уровней, между которыми произошёл переход. Например, для линии Lβ , . Константа σ сохраняет своё значение в пределах одной и той же серии для всех элементов, но меняется при переходе от одной серии к другой. По измерениям Мозли σ=1 для K-серии и σ=7.5 для L-серии. Смысл константы σ легко понять: электроны, совершающие переход при испускании рентгеновских лучей, находятся под воздействием ядра, притяжение которого ослаблено экранирующим действием остальных окружающих его внутренних электронов. Это экранирующее действие учитывается вычитанием из зарядового числа ядра z постоянной экранирования σ.

4. Взаимодействие атомов. Природа химической связи. Спектры молекул

Силы, удерживающие атомы в молекуле, вызваны взаимодействием внешних электронов. Электроны внутренних оболочек при объединении атомов в молекулу остаются в прежних состояниях. Это подтверждают рентгеновские спектры: они практически не зависят от того, в состав какого химического соединения входит данный элемент.

Различают 2 вида химической связи:

1) Ионная (гетерополярная) связь осуществляется электростатическим взаимодействием ионов противоположных знаков, образующихся при переходе электронов от одного атома к другому. Примеры: NaCl, KBr, HCl.

2) Ковалентная (гомеополярная) образуется парами электронов с противоположными спинами. Электроны, осуществляющие связь, значительную часть времени проводят в пространстве между атомами и являются «общими» для обоих ядер. Ковалентная связь характерна для всех симметричных молекул (H2, N2, O2) а также для молекул с разными ядрами, например, CN.


Рассмотрим природу этой связи на примере молекулы водорода H2. При сближении атомов водорода наступает перекрывание электронных облаков и возникает новое состояние, не свойственное системе изолированных атомов. На рис. 23.6 показана плотность электронных облаков изолированных атомов а и b соответственно, суммарная плотность, которая бы получилась при простом наложении электронных облаков изолированных атомов, и распределение электронной плотности вдоль оси, соединяющей ядра а и b, фактически устанавливающееся при обобществлении электронов (при образовании связи).

При этом происходит втягивание электронных облаков в пространство между ядрами. Появление состояния с повышенной плотностью между ядрами вызывает появление так называемой обменной энергии, уменьшающей общую энергию


системы. В квантовой механике показывается, что обменное взаимодействие является следствием принципа неразличимости тождественных частиц.

При сближении атомов связь может образоваться только при противоположном направлении спинов электронов. Полная волновая функция зависит не только от пространственных координат электронов, но и от их спинов. Из принципа Паули следует, что если спиновая волновая функция антисимметрична (спины электронов противоположны), пространственная функция Ψ+ симметрична (рис.23.7, а); электронная плотность между протонами заметно отлична от нуля. Если же спиновая волновая функция симметрична (спины электронов параллельны), пространственная функция Ψ– антисимметрична. В состоянии Ψ– (рис.23.7, б) электронная плотность между протонами уменьшается (волновая функция проходит через нуль), отталкивание протонов не экранируется, связь образоваться не может.

Молекула водорода состоит из четырёх частиц – двух протонов (a и b) и двух электронов 1 и 2 (рис 23.8). Уравнение Шрёдингера для молекулы водорода H2 имеет вид:

, (23.11)

где U – потенциальная энергия системы, зависящая от расстояний между частицами (рис.23.8):

,

Δ1 – оператор Лапласа, содержащий координаты одного электрона, Δ2 – координаты второго электрона; волновая функция Ψ зависит от координат обоих электронов.

Получающиеся из уравнения Шрёдингера собственные значения энергии оказываются зависящими от расстояния между ядрами R, то есть , причём в случаях антипараллельной и параллельной ориентации спинов характер этой зависимости различен (рис.23.9, кривые 1 и 2 соответственно). Условие существования связанного состояния – наличие минимума энергии при некотором значении R0 – выполняется только для антипараллельной ориентации спинов электронов. Если спины электронов параллельны, то при сближении атомов энергия системы монотонно возрастает. Глубина потенциальной ямы E0 соответствует энергии диссоциации молекулы, то есть энергии, которую нужно сообщить молекуле, чтобы разделить её на изолированные атомы.

При изменении электронной конфигурации (при возбуждении молекулы) изменяется кривая зависимости электронной энергии E* от расстояния между ядрами R (кривая 3). Асимптотическое значение энергии также становится иным – равным суммарной энергии изолированных атомов в новом квантовом состоянии. Равновесное расстояние между ядрами также иное, – как правило, становится больше, а энергия диссоциации (глубина ямы) – меньше.

Решение уравнения Шрёдингера (23.11) даже для простейшего случая молекулы водорода является сложной математической задачей. Можно воспользоваться так называемым адиабатическим приближением. Оно основано на том, что массы ядер много больше масс электронов, и движение ядер происходит гораздо медленнее движения электронов; поэтому электронное облако успевает «подстраиваться» под мгновенную конфигурацию ядер. В этом приближении волновую функцию можно представить в виде произведения трёх независимых сомножителей, описывающих соответственно электронную конфигурацию (), колебательное состояние () и вращательное состояние () молекулы:

, (23.12)

а полную энергию какого-либо стационарного состояния молекулы можно представить в виде суммы:

, (23.13)

где – энергия, обусловленная электронной конфигурацией (электронная энергия);

– энергия колебаний молекулы (колебательная, или вибрационная энергия);

– энергия, связанная с вращением молекулы (вращательная, или ротационная энергия).

Выполняется соотношение: . Отдельные виды энергии не зависят друг от друга. Все виды энергии квантуются (могут принимать только дискретные значения).

При определении уровней энергии конфигурацию ядер (расстояние между ядрами R – см. рис.23.9) можно рассматривать как параметр.

В приближении гармонического осциллятора (см. лекцию № 21) энергия колебательного движения ядер определяется колебательным квантовым числом υ:

, (23.14)

где

υ=0, 1,2, …,

а частота ν0 совпадает с частотой классического осциллятора и определяется массой ядер и силовыми константами связей («коэффициентами жёсткости» связей). Уровни энергии гармонического осциллятора (рис.23.10) находятся на одинаковом расстоянии друг от друга. Для колебательного квантового числа имеется правило отбора:

.

Поэтому энергия гармонического осциллятора может изменяться только порциями . В отличие от классического гармонического осциллятора минимальное значение энергии колебаний не может быть равно нулю из-за соотношения неопределённостей: при υ=0

.

Это значение называется энергией нулевых колебаний.

Кривая потенциальной энергии молекулы (рис.23.11) совпадает с параболой только при малых гармонических колебаниях. Ангармоничность приводит к тому, что с увеличением колебательного квантового числа υ уровни сгущаются.

Можно рассмотреть вращательную энергию двухатомной молекулы в предположении жёсткой связи (пренебрегая колебаниями). Энергия вращательного движения определяется моментом инерции I и моментом импульса L:

.

Момент импульса квантуется и определяется вращательным квантовым числом J (J=0, 1, 2, …):

.

Тогда

.

Расстояние между вращательными уровнями увеличивается с увеличением вращательного квантового числа J. Возможные изменения квантового числа ограничены правилами отбора:

ΔJ=0; ±1 (переход Jнач.=0 → Jкон.=0 запрещён).

Как и для самих значений энергии, для их изменения при переходе молекулы из одного состояния в другое справедливо соотношение: . Это значит, что расстояние между колебательными уровнями много больше расстояния между вращательными, а расстояние между электронными уровнями много больше расстояния между колебательными.

Таким образом, система уровней энергии складывается из сравнительно далеко отстоящих электронных уровней, каждому из которых соответствует свой набор колебательных уровней, а каждому колебательному уровню, в свою очередь, соответствует набор вращательных. На рис.23.12 приведены только 2 электронных уровня.

Изменение полной энергии при переходе молекулы из одного состояния в другое

равно энергии излучённого или поглощённого фотона: . Поскольку схема энергетических уровней даже простейшей молекулы очень сложна, то и спектры молекулярные гораздо сложнее спектров атомов. Атомные спектры состоят из отдельных линий, молекулярные представляются состоящими из полос.

При применении приборов с высоким разрешением обнаруживается, что полосы состоят из большого числа близко расположенных линий. В зависимости от того, изменение каких видов энергии (электронной, колебательной или вращательной) вызывает испускание молекулой фотона, различают следующие типы полос: вращательные (лежат в далёкой инфракрасной области спектра с длиной волны порядка 0.1÷1 мм), колебательно-вращательные (ИК-область λ≈1÷50 мкм), электронно-колебательные (видимая и УФ-область).


Молекулярные спектры позволяют получить информацию о структуре молекулы: межъядерных расстояниях, силовых константах связей, моментах инерции молекул, строении электронной оболочки, массах ядер, а также о характере и силе межмолекулярных взаимодействий.

5. Правила отбора

Если электрон переходит из стационарного состояния, описываемого волновой функцией ψn, в состояние, описываемое волновой функцией ψm, то его состояние в процессе перехода можно описать функцией:

,

где коэффициенты С1 и С2 зависят от времени: до перехода С1=1, С2=0; после перехода наоборот, С1=0, С2=1. Средняя мощность излучения при таком переходе прямо пропорциональна:

, (23.15)

где r – расстояние электрона от ядра. Сравним с подобным выражением для классической механики:

,

где – дипольный момент (см. лекцию № 17):

.

Речь идёт о дипольном излучении; излучает колеблющийся по гармоническому закону диполь:

.

.

Отсюда следует, что мощность излучения

.

Если интеграл в выражении (23.15) равен нулю, то переход nm запрещён; соответствующие спектральные линии не наблюдаются. Вот таким образом возникают правила отбора, упоминавшиеся ранее. Сформулируем их ещё раз:

1)  Атомы:

Δl=±1

Δml=0; ±1

ΔmS=0

ΔL=0; ±1 (переход Lнач.=0 → Lкон.=0 запрещён)

ΔS=0

ΔJ=0; ±1 (при Jнач.≠0 или Jкон.≠0).

2)  Молекулы:

ΔJ=0; ±1 (переход Jнач.=0 → Jкон.=0 запрещён).

Замечания:

1)  Эти правила отбора работают только для дипольного излучения. Существует ещё излучение квадрупольное, октупольное, и т. д., - там правила отбора другие, но и интенсивность мультипольного излучения существенно меньше, так что можно его не принимать во внимание.

2)  Правила отбора вытекают из закона сохранения момента импульса: фотон имеет спин s=1, и уносит (при излучении) или приносит (при поглощении) соответствующий момент импульса.

3)  Квантовая механика, в отличие от теории Лоренца, объяснила интенсивность спектральных линий: в спектрах излучения (и поглощения) интенсивность линий пропорциональна квадрату интеграла (23.15).

6. Спонтанное и индуцированное излучение

Находясь в стационарном состоянии, электрон не излучает энергии. С точки зрения квантовой механики это состояние может сохраняться сколь угодно долго. Но опыт показывает, что атом, находясь в возбуждённом состоянии, сам собой переходит в основное состояние, излучая фотон. Это – спонтанное излучение. Спонтанное излучение – излучение в отсутствие внешних причин. Для объяснения этого излучения нужны законы квантовой электродинамики. Эйнштейн ещё до её создания для описания процессов излучения и поглощения ввёл коэффициенты Anm, Bnm и Bmn (коэффициенты Эйнштейна).

Рассмотрим двухуровневую схему (рис.23.13).

Anm – вероятность спонтанного перехода (за единицу времени) с уровня n на уровень m;

Anm – коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения.

Можно показать, что среднее время жизни атома в состоянии n равно:

.

Конечность времени жизни приводит к неопределённости энергии уровня. По принципу неопределённостей Гейзенберга:

;

.

Энергия перехода тоже имеет неопределённость:

,

и частота излучённого фотона тоже:

Это – естественная ширина спектральных линий; излучение – немонохроматическое; занимает некоторый спектральный диапазон. Обычно ; тогда . Это достаточно малая величина по сравнению с длиной волны света видимого диапазона .

Если атом находится в переменном электромагнитном поле, то возможны ещё два процесса: резонансное поглощение и вынужденное излучение (рис.23.14). Атом получает или отдаёт энергию (в виде излучения). Вероятности соответствующих переходов nm и mn пропорциональны объёмной плотности энергии внешнего электромагнитного поля ; так вводятся ещё два коэффициента Эйнштейна Bnm и Bmn:

вероятность резонансного поглощения (за единицу времени);

вероятность вынужденного излучения (за единицу времени).

Обозначим Nn и Nm – заселённости соответствующих уровней (число атомов в состояниях n и m). По принципу детального равновесия суммарное число переходов вниз (nm) в единицу времени равно числу переходов вверх (mn):

.

Эйнштейн получил отсюда формулу Планка для теплового излучения абсолютно чёрного тела, используя распределение Больцмана для определения зеселённостей уровней:


6.1. Свойства индуцированного излучения

Вторичный фотон идентичен первичному. У них одинаковы:

1)  частота ;

2)  фаза;

3)  направление распространения;

4)  поляризация.

Следовательно, индуцированное изучение когерентно и монохроматично.

6.2. Инверсия заселённостей. Принцип работы ОКГ (оптических квантовых генераторов – лазеров)

Рассматривается двухуровневая схема (рис.23.15). Обычно заселённость верхнего уровня меньше, чем нижнего:

Nn<Nm,

так как подчиняется распределению Больцмана:

.


При Nn<Nm количество переходов вверх (mn) больше, следовательно, при прохождении света через вещество интенсивность света уменьшается по закону Бугера, где показатель поглощения k>0:

.

Свет поглощается (резонансное поглощение).

Если искусственно создать неравновесное состояние с инверсной заселённостью, когда заселённость верхнего уровня больше (Nn>Nm), то будет больше количество переходов вниз (nm). Получим отрицательное поглощение: показатель поглощения оказывается отрицательным (k<0). Свет будет излучаться. Это индуцированное излучение. Оно осуществляется в ОКГ – оптических квантовых генераторах (лазерах).

Явление индуцированного излучения было предсказано Эйнштейном в 1917 году, но первый оптический квантовый генератор был построен только в 1960 г. Это был мазер – сокращение от «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiaton» – «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения». Он давал излучение в радиодиапазоне (λ=1.27 см). В 1964 г Прохорову, Басову и Таунсу была присуждена Нобелевская премия за разработку принципа работы квантового генератора.

Создано большое количество различных лазеров – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от 10-4 до 1013 Вт (в импульсном режиме).

Составными частями лазера являются (рис.23.16):

1)  Рабочее тело – активная среда с инверсной заселённостью. В качестве рабочего тела используют газы (чистые или смеси), жидкости (растворы красителей в органических растворителях), твёрдые тела (рубин, кварц с разными добавками). Лазеры на полупроводниках замечательны тем, что имеют очень большой показатель оптического усиления, очень малые размеры, малую инерционность, высокий КПД (некоторые источники утверждают, что достигнут КПД=100%) и возможность плавной спектральной перестройки. Вообще-то КПД (особенно газовых лазеров) невелик – несколько процентов, так как из всего спектра излучения лампы накачки используется только узкий диапазон волн с длиной, соответствующей расстоянию между уровнями (см. второй постулат Бора).

2) 


Система накачки – устройство для создания инверсии заселённостей Это может быть обычная газоразрядная лампа (оптическая накачка), как, например, в рубиновом лазере (рис.23.17). Накачка может осуществляться высоковольтным электрическим разрядом (гелий-неоновый лазер; рис.23.18), с помощью химических реакций, и даже с помощью ядерных реакций. Есть лазеры со светодиодной накачкой. Поглощая энергию, электроны активной среды переходят на более высокий уровень.

3)  Резонатор служит для выделения направленного пучка фотонов. Это могут быть зеркала – полупрозрачное и непрозрачное.

Генерация начинается с излучения фотона при спонтанном переходе электрона с возбуждённого уровня на основной. Этот «затравочный» фотон вызывает в активной среде новые акты вынужденного излучения (рис.23.19). Необходимо, чтобы фотон многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс излучения; для этого и служит резонатор – пара зеркал. Если фотон излучается не строго перпендикулярно зеркалам, усиления индуцированного излучения не происходит; такие фотоны просто уходят за пределы рабочей среды. Таким образом, возникает излучение, направленное вдоль оси системы.


Для работы лазера недостаточно двухуровневой схемы, изображённой на рис.23.15, так как при любой мощности накачки число возбужденных атомов для такой схемы всегда меньше числа невозбужденных: время жизни возбуждённого состояния ограничено, в отличие от основного, и электроны успевают «сваливаться» вниз.


Реально может работать трёхуровневая схема (рис.23.20), один из уровней которой (2) – метастабильный. Его время жизни – порядка миллисекунд, существенно больше обычного 10-8 с, так как переход с него в основное состояние (1) запрещён правилами отбора. В результате накачки атомы переходят в состояние 3. Далее происходит безызлучательный переход в метастабильное состояние 2. Именно на этом уровне из-за большого времени его жизни удаётся создать инверсную заселённость и при переходе с него в основное состояние 1 происходит генерация индуцированного излучения.

6.3. Свойства лазерного излучения

Лазерное излучение – индуцированное, так что для него характерны следующие свойства:

1)  Монохроматичность. Относительная ширина спектральной линии гелий-неонового лазера

.

2)  Когерентность. Длина когерентности гелий-неонового лазера больше диаметра земной орбиты (!).

3)  Направленность. Расходимость луча газового лазера – тысячные доли градуса. Для твердотельных лазеров расходимость больше – порядка половины градуса, но всё равно это очень малая величина.

4)  Линейная поляризация. Это свойство не является обязательным для лазерного излучения и достигается особенностями конструкции. Так, один конец кристалла рубинового лазера срезан под углом Брюстера. Он обеспечивает выход из кристалла рубина без отражения луча с соответствующей линейной поляризацией. Зеркало резонатора ставится на пути этого луча. Таким образом, излучение рубинового лазера линейно поляризовано.

5)  Большая интенсивность. В импульсном режиме мощность лазерного излучения может достигать огромных величин. Есть сообщение, что в США построили лазер с мощностью 500 триллионов ватт. Такая мощность потребовалась для запуска реакции термоядерного синтеза.

Уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества. Благодаря этим свойствам излучения лазеры нашли широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, оптических системах навигации, связи и локации, в быту.



Подпишитесь на рассылку:


Атомы и молекулы
так чрезвычайно малы, но так невероятно важны

Молекула


Проекты по теме:

Основные порталы, построенные редакторами

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: • АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика
История: СССРИстория РоссииРоссийская Империя
Окружающий мир: Животный мирДомашние животныеНасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организации
МуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммы
Отчеты: • по упоминаниямДокументная базаЦенные бумаги
Положения: • Финансовые документы
Постановления: • Рубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датам
Регламенты
Термины: • Научная терминологияФинансоваяЭкономическая
Время: • Даты2015 год2016 год
Документы в финансовой сферев инвестиционнойФинансовые документы - программы

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШколаПрофессиональное образованиеМотивация учащихся
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказ
Регионы РоссииПрограммы регионовЭкономика

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумаги: • УправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги - контрольЦенные бумаги - оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудит
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства

Блокирование содержания является нарушением Правил пользования сайтом. Администрация сайта оставляет за собой право отклонять в доступе к содержанию в случае выявления блокировок.