- •I . Борівська теорія атома
- •1.1. Закономірність в атомних спектрах
- •1.2. Модель атома Томсона
- •1.3. Досліди по розсіянню -частинок. Ядерна модель атома
- •1.4. Постулати Бора. Дослід Франка і Герца
- •1.5. Елементарна борівська теорія водневого атома
- •II. Елементи квантової механіки
- •2.1. Гіпотеза Луї де Бройля. Корпускулярно-хвильовий дуалізм
- •2.2. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга
- •2.3. Рівняння Шредінгера
- •2.4. Фізичний зміст псі-функції
- •2.5. Квантування енергії
- •2.6. Рух вільної частинки
- •2.7. Частинка в нескінченно глибокій потенціальній ямі
- •2.8. Гармонічний осцилятор
- •2.9. Проходження частинки крізь потенціальний бар’єр
- •2.10. Квантування моменту імпульсу
- •III. Квантова теорія атомів і молекул
- •3.1. Квантова теорія атома водню
- •3.2. Багатоелектронні атоми
- •3.2.1. Спектри лужних металів
- •3.2.2. Нормальний ефект Зеємана
- •3.2.3 Мультиплетність спектрів і спін електрона
- •3.2.4 Механічний та магнітний моменти багатоелектонного атома
- •3.2.5. Розподіл електронів в атомі за станами. Періодична система елементів д.І. Менделєєва
- •3.2.6. Рентгенівські спектри
- •3.2.7. Енергія молекули
- •3.2.8. Молекулярні спектри
- •3. 2. 9 Комбінаційне розсіювання світла
- •3. 2.10. Вимушене випромінювання. Лазери
- •I. Борівська теорія атома………………………………………………………..…3
3. 2.10. Вимушене випромінювання. Лазери
Згідно з квантовою теорією, атоми можуть мати строго певні значення енергії, переходити зі стану з одним рівнем енергії у стан з іншим енергетичним рівнем. Можливі два види переходів: спонтанні (самовільні) та індуковані (вимушені).
Переходи першого виду (спонтанні) відбуваються без впливу електромагнітного поля. Атоми при цьому переходять з більш високого енергетичного рівня на більш низький (рис 3. 22, а), випромінюючи фотон з енергією , де – стала Планка, – частота випромінювання, та – енергія атома на енергетичних рівнях відповідно та (). Таке випромінювання називають спонтанним (самовільним). У разі спонтанних переходів різні атоми випромінюють фотони неодночасно і незалежно один від одного. Внаслідок цього випромінювання не напрямлене, не поляризоване і не монохроматичне.
Переходи другого виду (вимушені) відбуваються під дією електромагнітного поля, частота якого дорівнює або близька до частоти переходу, що визначається умовою Бора для атома: .
Коли індуковані переходи відбуваються в бік вищого рівня енергії, атом поглинає фотон (рис. 3.22, б). Цей процес називається резонансним поглинанням. Він завжди супроводжується послабленням зовнішнього електромагнітного поля.
Рис.
3. 22
Рис.
3.22
Ймовірнісний опис випромінювання світла здійснив у 1916р. А. Ейнштейн, внаслідок чого не тільки одержав основну формулу рівноважного (теплового) випромінювання (формулу Планка), а й виявив істотний момент у самому механізмі випромінювання світла – відкрив індуковане випромінювання. З теоретичними розрахунками А. Ейнштейна можна ознайомитись за літературними джерелами [1]–[3].
Принцип підсилення електромагнітних хвиль за допомогою індукованих переходів вперше запропонував у 1939р. радянський фізик-теоретик В. О. Фабрикант. У 1954 р. радянські вчені М. Г. Басов і О. М. Прохоров одночасно з американським фізиком Ч. Х. Таунсом створили перші квантові генератори на пучку молекул аміаку з довжиною хвилі см. Квантові генератори, які випромінюють у радіодіапазоні, називають мазерами (слово мазер – абревіатура англійського виразу microwave amplification by stimulate emission of radiation, що означає підсилення мікрохвиль за допомогою індукованого випромінювання).
Перші квантові генератори, що працюють в оптичному діапазоні (лазери), з’явилися на початку 60-х років ХХ ст. Це були твердотілий лазер на рубіні з нм, гелій-неоновий лазер з =632,8 нм і напівпровідниковий інжекційний лазер на з =840 нм (1962 р.).
Для резонансного підсилення зовнішнього електромагнітного поля необхідно, щоб заселеність енергетичних рівнів атомів середовища з вищою енергією була більшою ніж заселеність рівнів з нижчою енергією. Стан такого середовища називають інверсією заселеності енергетичних рівнів електронами.
Побудова лазера стала можливою після того, як були винайдені способи здійснення інверсії заселеності енергетичних рівнів у деяких речовинах.
Розглянемо принцип роботи оптичного квантового генератора на прикладі рубінового лазера, побудованого вперше в 1960 р. американським фізиком Т. Г. Мейманом. У ньому робочим тілом був циліндр з рожевого рубіна. Діаметр стержня був приблизно 1 см, а довжина – біля 5 см. (Рубін, це кристал мінералу – сапфір, у кристалічній гратці якого частина йонів замінена на йони ). Торці стержня були ретельно відполіровані і представляли собою строго паралельні одне одному дзеркала. Один кінець покривали щільним непрозорим шаром срібла, другий торець покривали таким шаром срібла, щоб він пропускав приблизно 8 % падаючої на нього енергії.
Рис.
3.23
Рис.
3.24
Збудження йонів за рахунок накачки зображено стрілкою . Час існування рівня 3 дуже малий (~10с). Протягом цього часу деякі йони перейдуть спонтанно із смуги 3 на основний рівень 1. Такі переходи показані стрілкою . Однак більшість йонів перейдуть на метастабільний рівень 2 (ймовірність переходу, зображеного стрілкою , значно більша, ніж переходу ). При достатній потужності накачки число йонів хрому на рівні 2 стає більшим числа йонів на рівні 1. Отже, відбувається інверсія рівнів 1 і 2.
Стрілка відображає спонтанний перехід з метастабільного рівня на основний. Випромінений при цьому фотон може викликати випромінювання додаткових фотонів (перехід ), які в свою чергу викличуть вимушене випромінювання і т. д. В результаті виникає каскад фотонів. Нагадуємо, що фотони вимушеного випромінювання летять в тому самому напрямку, що і падаючі фотони. Фотони, напрямки руху яких утворюють малі кути з віссю кристалічного стержня, багаторазово відштовхуються від торців стержня. Тому шлях їх в кристалі буде дуже великим, так що каскади фотонів в напрямку осі отримують особливий розвиток. Фотони, випромінені спонтанно в інших напрямках, виходять із кристала через його бокову поверхню.
Рис.
3.25
Лазери на рубіні працюють в імпульсному режимі (з частотою кількох імпульсів за хвилину). В стержні виділяється велика кількість тепла. Тому його необхідно інтенсивно охолоджувати, що здійснюється за допомогою зрідженого повітря.
В 1960 р. американський фізик А. Джаван запропонував перший газовий лазер на суміші гелію і неону. Газові лазери працюють в суцільному (не імпульсному) режимі і не потребують інтенсивного охолодження. Однак, у зв’язку з малою щільністю газів потужність цих лазерів значно менша, ніж потужність твердотільних.
У 1963 р. побудовані досить ефективні лазери на напівпровідниках. Важливим досягненням в галузі лазерної техніки – це створення рідинних лазерів.
Поява лазерів значно вплинула на подальший розвиток різних галузей науки, техніки і технологій: виникли нові галузі фізики (нелінійна оптика і голографія), промисловості (лазерні системи зв’язку, лазерні технології, оптична локація, оптична обробка інформації тощо.). Лазери застосовують у хімії і біології, медицині і сільському господарстві, геодезії і будівництві, на транспорті й у військовій техніці. Досконаліше з областями застосування лазерів можна ознайомитись за підручником .
Зміст