Главные этапы в развитии теории света (стр. 18 )

3.8.4. Рентгеновское излучение.

В 1895 году В. Рентгеном было открыто излучение, получившее название рентгеновского. Оно представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка . Источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой ускоренные до больших значений энергии электроны, бомбардируют анод (металлическая мишень из тяжелых металлов), испытывая на нем резкое торможение.

Исследование спектрального состава рентгеновского излучения показало, что его спектр имеет сложную структуру. Он представляет собой наложение сплошного спектра, ограниченного со стороны коротких волн некоторой границей и линейчатого спектра – совокупности отдельных очень резких линий, появляющихся на фоне сплошного спектра. Характер сплошного спектра совершенно не зависит от материала анода, а определяется только энергией электронов, бомбардирующих анод. Исследования показали, что оно испускается электронами в результате их торможения при столкновении с анодом и поэтому, сплошной рентгеновский спектр получил название тормозного спектра. Наличие коротковолновой границы спектра подтверждает справедливость квантовой теории. Предельная энергия рентгеновского кванта соответствует тому случаю, когда вся кинетическая энергия электрона переходит в энергию кванта, т. е.

. 8.8

Измеряя границу рентгеновского спектра по данной формуле можно вычислить значение постоянной Планка .

При увеличении кинетической энергии электронов (увеличение напряжения на электродах трубки) наряду со сплошным возникает линейчатый спектр, зависящий от материала анода и называемый характеристическим спектром.

По сравнению с оптическими спектрами химических элементов (они самые разнообразные) рентгеновские спектры совершенно однотипны и состоят из нескольких серий, обозначаемых . Каждая серия состоит из нескольких линий. При переходе от легких элементов к тяжелым структура спектра не меняется, лишь весь спектр смещается в сторону более коротких волн. Особенность этих спектров состоит в том, что атомы каждого элемента, независимо от того свободны они или входят в состав химического соединения обладают определенным характерным для данного элемента линейчатым спектром.

Изучение структуры характеристических рентгеновских спектров приводит нас к выводу о том, что их возникновение связано с процессами, происходящими во внутренних заполненных электронных оболочках атомов, которые имею сходное строение.

Под действием кого-нибудь внешнего фактора электрон с оболочки К может перейти на более высокую оболочку, а в К-оболочке возникает вакансия, куда может перейти электрон с другой оболочки, излучая при этом рентгеновский квант.

Мозли установил, что частоту линий в характеристическом рентгеновском спектре можно определить по формуле, аналогичной сериальной формуле для атома водорода

, 8.9

где - порядковый номер элемента в таблице Менделеева, - постоянная экранирования.

4.8.4. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры.

Если атом находится в основном состоянии, то под действием внешнего излучения может осуществить вынужденный переход в возбужденное состояние.

Находясь в возбужденном состоянии, атом может самопроизвольно (спонтанно) без каких-либо внешних воздействий, перейти в основное состояние, отдавая избыточную энергию виде кванта электромагнитного излучения. Процесс излучения света возбужденным атомом без каких-либо внешних воздействий получил название спонтанного излучения.

В 1916 году А. Эйнштейн для объяснения равновесного характера теплового излучения предположил, что кроме спонтанного, должен существовать и качественно иной характер излучения. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей равенству , то возникает вынужденный переход в основное состояние с излучением фотона той же энергии. Возникающее в таких переходах излучение получило название вынужденного излучения. В процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона – первичный, вызывающий излучение, и вторичный фотон, испущенный атомом. Существенно, что вторичный фотон не отличается от первичного, являясь его точной копией.

В статистической физике известен принцип детального равновесия, согласно которому при термодинамическом равновесии каждому процессу в системе можно сопоставить обратный процесс, при этом скорость их протекания будет одинаковой.

Применяя этот принцип и закон сохранения энергии для излучения и поглощения энергии, в случае абсолютно черного тела А. Эйнштейн получил формулу Планка.

Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая на своем пути другие возбужденные атомы, стимулируют дальнейшее вынужденное излучение, и число фотонов растет лавинообразно.

В 1918 году А. Эйнштейн указал на возможность усиления света с помощью вынужденного излучения. Для усиления падающего излучения необходимо, чтобы число актов вынужденного излучения превышало бы число актов поглощения. Для выполнения этого условия систему надо перевести в неравновесное состояние, при котором число атомов в возбужденном состоянии было больше, чем их число в основном состоянии. Процесс создания неравновесного состояния вещества называется накачкой.

Впервые на возможность получения сред, в которых может происходить усиление света за счет вынужденного излучения, в 1940 году указал Фабрикант, который вместе с сотрудниками в 1951 году изобрел способ усиления света за счет вынужденного излучения.

Практически усиление света осуществляется в принципиально новых источниках света – лазерах. Идея качественно нового принципа усиления света принадлежит , и Ч. Таунсу которые в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике.

В основе работы лазера лежит так называемая трехуровневая схема (рис. 46). При накачке электроны из основного состояния переходят в возбужденное состояние 2. Из этого состояния без излучения энергии электроны переходят на метастабильный уровень 3. Самопроизвольный переход запрещен правилами отбора и поэтому в этом состоянии электрон может находиться в течение достаточно большого промежутка времени до (сравните с при спонтанном излучении).

Это приводит к тому, что происходит накопление электронов на этом уровне. При достаточной мощности накачки на уровне 3 электронов будет гораздо больше, чем в основном состоянии.

Фотон с энергией , случайно появившейся в среде, вызывает множество актов вынужденного перехода , в результате чего зарождается лавина фотонов. Но эти фотоны разлетаются в различных направлениях.

Чтобы выделить определенное направление, в котором испускаются фотоны, используют оптический резонатор. В простейшем случае им служат два обращенных друг к другу зеркала на общей оптической оси. Для формирования пучка одно из них делается полупрозрачным.

В первых моделях лазеров в качестве активной среды использовался цилиндрический столбик из рубина, торцевые поверхности которого тщательно обрабатывались и серебрились.

Лазерное излучение обладает следующими свойствами:

- высокая когерентность;

- строгая монохроматичность;

- большая мощность излучения;

- малый угол расхождения.

Необычные свойства лазерного излучения находят широкое применение в самых различных областях науки и техники.

9.4. Элементы квантовой механики.

1.9.4. Корпускулярно - волной дуализм.

На протяжении всей своей истории физика не раз оказывалась в ситуации, когда общепринятая теория не могла объяснить целого ряда явлений. Но всегда находился выход – создавалась новая теория, более общая, способная объяснить и старые, и новые факты.

Но в данном случае ситуация была несколько иная – новая теория квантов не представлялась более общей, чем волновая, в том смысле, что некоторые явления объясняемые квантовой теорией невозможно объяснить с точки зрения волновой теории и наоборот. Противоречие волна – частица казалось неразрешимым.

Экспериментально подтверждение корпускулярно-волнового дуализма для света позволило Луи де Бройлю в 1924 году выдвинуть гипотезу об универсальном характере этого явления. Де Бройль утверждает, что не только свет, но и другие частицы материи наряду с корпускулярными свойствами обладают также и волновыми свойствами.

По де Бройлю любой микрообъект можно характеризовать энергией и импульсом (корпускулярные свойства), а другой стороны – частотой и длиной волны (волновые свойства). Количественные соотношения, связывающие эти характеристики, такие же, как и у света, т. е.

. 9.1

Смелость гипотезы де Бройля состояло в том, что данные соотношения постулировались не только для света, но и для других объектов микромира, в том числе и для таких которые обладают массой покоя. Из гипотезы де Бройля следует, что любой частице, обладающей импульсом « р » мы можем сопоставить волну, длина которой определяется выражением