Физика (стр. 40 )

В случае с инверсной населенностью при . Если на этот случай формально распространить закон распределения Больцмана, то получим для T отрицательное значение. Поэтому состояния с инверсной населенностью энергетических уровней называют иногда состояниями с отрицательной температурой. Конечно же, это чисто условный термин, так как состояния с инверсной населенностью являются неравновесными, а понятие температуры применимо только к равновесным состояниям.

В веществе с инверсной населенностью энергетических уровней вынужденное излучение может превысить поглощение света атомами, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через вещество будет усиливаться. Изменение интенсивности света при прохождении через поглощающую среду описывается законом Бугера В случае усиления падающего света явление протекает так, как если бы коэффициент поглощения стал отрицательным. Соответственно, совокупность атомов с инверсной населенностью можно рассматривать как среду с отрицательным коэффициентом поглощения.

Процесс перевода системы в состояние с инверсной населенностью энергетических уровней называется накачкой. Среды, в которых возможно создание инверсной населенности уровней, называются активными.

4.3.2. Использование вынужденного излучения

Впервые принцип усиления света за счет вынужденного излучения был предложен советским физиком Фабрикантом (1940 г.). Использование вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн в микроволновом диапазоне (радиоволн) было реализовано в 1953 г. советскими учеными Басовым и Прохоровым и, независимо от них, американскими учеными Таунсом и Вебером. Созданные ими приборы получили название мазеров. (Позднее, Басову, Прохорову и Таунсу за эти работы была присуждена Нобелевская премия.) В 1960 г. американский физик Мейман изготовил такой же прибор, работающий в оптическом диапазоне – лазер. Иногда его называют оптическим квантовым генератором.

Практическое осуществление лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности энергетических уровней в некоторых веществах. В первом лазере (рис. 4.3.2) рабочим телом, т. е. активной средой, был цилиндр из розового рубина диаметром 1 см и длиной 5 см. Торцы стержня были тщательно отполированы и служили параллельными друг другу зеркалами. Один торец был покрыт плотным непрозрачным слоем серебра, другой – покрывался таким слоем серебра, который пропускал около 8 % упавшей на него энергии.

 

Рис. 4.3.2

Рубин представляет собой окись алюминия , в которой некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома. Чем больше атомов хрома, тем сильнее окраска кристалла. При поглощении света ионы хрома переходят в возбужденное состояние. Обратный переход в основное состояние происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят в метастабильное состояние. Спонтанный переход из этого метастабильного состояния в основное теоретически запрещен. Но этот запрет не слишком строгий. Точнее было бы сказать, что переход атомов хрома из метастабильного состояния в основное затруднен, так как квантовые числа, характеризующие энергетическое состояние квантовой системы, могут изменяться только по определенным правилам. Вероятность запрещенных переходов значительно меньше, чем разрешенных, но все же отлична от нуля. Поэтому среднее время жизни иона в метастабильном состоянии (~) примерно в раз превосходит время жизни в обычном возбужденном состоянии. Это приводит к накоплению атомов хрома в метастабильном состоянии. При достаточной мощности накачки концентрация ионов хрома в метастабильном состоянии будет гораздо выше, чем в основном, т. е. возникнет среда с инверсной населенностью. На втором этапе ионы из метастабильного состояния переходят в основное, излучая фотон с длиной волны . Сначала переходы спонтанные, но позже под действием фотонов такой же длины волны, т. е. при вынужденном излучении, переход ионов хрома из метастабильного состояния в основное происходит значительно быстрее, чем при спонтанном излучении.

В первом лазере рубин освещался импульсной ксеноновой лампой (рис. 4.3.2) При таком способе накачки при достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние. На схеме энергетических уровней (рис. 4.3.3) возбуждение ионов за счет накачки изображено стрелкой . Некоторые ионы уйдут из состояния 3 спонтанно на основной уровень 1 (стрелка ), однако большинство ионов хрома перейдет на метастабильный уровень 2 (стрелка ), в результате происходит инверсия.

 

Рис. 4.3.3

Стрелка изображает спонтанный переход с метастабильного уровня на основной. Испущенный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов (стрелка ), которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение и т. д. Таким образом, возникнет каскад фотонов. Фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении, что и падающие фотоны, поэтому фотоны, летящие под углом к оси рубинового стержня, выйдут через боковую поверхность. Фотоны же, летящие параллельно оси рубинового стержня, будут многократно отражаться от зеркальных торцов, путь их в кристаллах будет большим, так что каскады фотонов в направлении оси получают особенное развитие. Когда пучок света становится достаточно интенсивным, часть его выходит через полупрозрачный торец кристалла.

Лазеры на рубине работают в импульсном режиме (несколько импульсов в минуту). Внутри кристалла выделяется большое количество тепла, и его приходится интенсивно охлаждать.

В 1961 г. был создан предложенный американским ученым Джаваном газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. Поскольку спектр поглощения газа – это набор узких линий, а лампы излучают свет в широком интервале длин волн, то применять лампы для накачки газовых лазеров невыгодно, поэтому в газовых лазерах инверсная населенность энергетических уровней осуществляется электрическим разрядом.

Разрядная трубка заполняется смесью гелия с парциальным давлением ~ и неона под давлением ~. На концах трубка имеет плоскопараллельные зеркала, одно из которых полупрозрачно. Разряд возбуждает атомы гелия, переводя их на метастабильный уровень 3 (рис. 4.3.4).

 

Рис. 4.3.4

Возбужденные атомы гелия сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. Атомы неона, возбудившись, переходят на один из своих верхних энергетических уровней, находящийся вблизи уровня возбужденного гелия, минуя более низкие энергетические уровни (например, уровень 2). Вследствие этого возникает инверсная населенность уровней 3 и 2. Переход атомов неона с уровня 3 на уровень 2 дает излучение с длиной волны .

Излучение лазеров отличается рядом замечательных особенностей: 1) оно высоко когерентно (время когерентности на семь порядков выше, чем для обычных источников); 2) строго монохроматично (ширина интервала длин волн не превосходит 10–11 м); 3) обладает большой мощностью (энергию, полученную при накачке, лазер высвечивает за очень короткое время, порядка 10–3 с); 4) очень малое расхождение луча (угловая ширина генерируемого лазером светового пучка настолько мала, что при использовании специальной фокусировки можно получить на лунной поверхности пятно света диаметром всего лишь три километра).

Большая мощность и узость пучка позволяют при фокусировке лазерного света с помощью линзы получить плотность потока энергии, в 1000 раз превосходящую плотность потока энергии, которую можно получить фокусировкой солнечного света. Это позволяет использовать лазер для механической обработки и сварки, для скоростного и точного обнаружения дефектов в изделиях; луч лазера (СО2) используется в качестве бескровного хирургического ножа. Измерительная техника, голография, получение высокотемпературной плазмы – это далеко не полный перечень, где лазер нашел применение.

5. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА
И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

5.1. Атомное ядро

5.1.1. Состав ядра

По современным представлениям, ядра состоят из двух видов элементарных частиц: протонов и нейтронов. Масса каждой из этих частиц близка к атомной единице массы. Протон есть ни что иное как ядро атома водорода. Он имеет единичный положительный заряд +е и массу (Для сравнения: масса электрона составляет ) Нейтрон – электрически нейтральная частица, имеющая массу И протон, и нейтрон обладают собственными магнитными моментами (хотя нейтрон электрически нейтрален) и собственными механическими моментами импульса – спинами. Спины и протона, и нейтрона равны .