Механизм оптического излучения. Оптические квантовые генераторы

Впервые предположение о невидимой мельчай­шей частице «атоме» были высказаны мыслите­лями древней Греции и Рима. В 17 веке в трудах Менделеева, Ломоносова, Клаузиуса, Джоуля и других, это предположение было развито с точки зрения свойств атомов, однако сами атомы до конца 19 века так и счи­тали неделимыми "кир­пичиками мироздания". Открытие радио­актив­ности, рентгеновских и катодных лучей привели к предло­жению моделей строения атома (Резер­форд, Томсон и др.) Бо­лее состоятельной оказа­лась планетарная модель Резерфорда. Однако она по многим пунктам не соответствовала классиче­с­ким представлениям механики и электродина­мики того времени. Выход из этого несоответст­вия был найден датским физиком Н. Бором. Он предложил два постулата, объясняющих стацио­нар­ность и переходы энергии атома:

1. Атом и атомные системы могут дли­тельно пребывать только в некоторых дозво­ленных стационарных состояниях. Этим со­стояниям соответствуют дискрет­ные зна­чения энер­гии. Находясь в этих со­стояниях, атом не излучает и не погло­щает энергию.

2. Любое изменение энергии атома или атом­ной системы связано со скачкообразным пере­ходом ее из одного стационар­ного состоя­ния в другое. При этом излучается или погло­щает­ся квант энергии, равный разности дозволен­ных значений энер­гии стационарных состоя­ний.

Н. Бор рассчитал дозволенные состояния и доз­воленные энер­гии квантов, излучаемых атомом водорода. Эти расчеты полнос­тью совпадали с экспериментальными исследова­ниями Ридберга, проведенными ранее. Однако для других атомов подобные расче­ты не совпа­дали с эксперимен­тальными данными. Нужны были новые не клас­сические подходы. Поэтому, в начале 20-х годов на­шего столетия начала развиваться новая наука - квантовая меха­ника, положения которой объ­ясняли энергетические состояния атомов и атом­ных систем и их поведе­ние при излучении и по­гло­щении энергии. Любая движущая микрочас­тица (в том числе и электрон в атоме) сопостав­ляется с волновым процессом (по де Бройлю). Положение этой частицы описывается в общем виде волновой функцией, зависящей от коорди­нат и времени - ψ (х, у, г, t). Если силовое поле, действующее на электрон стационарно (не зави­сит от времени), то волновую функцию можно представить произве­дением ψ (х, у, z, t) = F(t)ψ(x, у, z) Функция ψ(х, у, z) является вероятностной характеристикой. Выделим в пространстве объем dV = dx dy dz. В пределах dV функция ψ(x, у, z) постоянна. Вероятность нахождения частицы в объеме dV равна

dW =|ψ|²dV, откуда |ψ‌‌‌‌‌‌‌ | ² ₌ dW/dV

Последнее выражение определяет физический смысл волно­вой функции:

Квадрат модуля волновой функции равен плотности веро­ятности, т.е. отношению ве­роятности нахождения частицы в объеме к этому объему.

Таким образом, дискретные значения энергии электрона в атоме определяются конкретными возможными значениями ψ-функции, каждое из которых характеризуется определенным набо­ром квантовых чисел.

Мы не будем рассматривать их подробно, они Вам хорошо известны из школьной программы и курса лекций по химии, по­этому определимся, что:

1. В атоме существуют электронные оболочки, которые обо­значаются К, L, M, N, О, Р, Q, им со­ответствуют главные кванто­вые числа n= 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 - номер оболочки, считая от ядра.

2. В каждой оболочке существуют подоболочки s, p, d, f, g, h, им соответствуют побочные кванто­вые числа 1 = 0, 1, 2, 3, 4, 5.

3. В каждой подоболочке может быть (21+1) - всех уровней с разными спинами S.

4. Магнитное поле движущегося электрона соз­дает дополни­тельные подуровни, которые харак­теризуются магнитными кван­товыми числами m

Поведение электронов в атоме определяется в квантовой ме­ханике дифференциальным урав­нением Шредингера, в состав ко­торого входят энергия электрона в атоме, ψ-функция и коорди­на­ты электрона в трехмерном пространстве. Ре­шение этого уравне­ния приводит к нахожде­нию значений дозволенных уровней энергий Е, выра­женных через квантовые числа: n, i, m, s. Разность рас­считанных энергий определяет спектр излу­чений атома или атом­ных систем. По этой мето­дике были рассчитаны спектры многих атомов периодической системы Менделеева и молеку­лярные спектры. Расчеты достаточно точно сов­падают с эксперименталь­ными дан­ными, что подтверждает правильность основных поло­же­ний квантовой механики. Электроны невозбуж­денного атома всегда стремятся занять состояние с наименьшей энергией, т.е. дозволен­ную орби­таль наиболее близкую к ядру. Однако по прин­ципу Паули в атоме во­дорода и водоро­доподоб­ных соединений один электрон всегда за­нимает состояние с наименьшей энергией, а в сложных атомах электроны заполняют все дозволенные орбиты, начиная с ближ­ней к ядру. Энергетиче­ские уровни молекул определяются как сумма зна­чений энергий, присущих движе­нию электро­нов в атомах, энер­гий колебатель­ного движения атомов и вращательного движе­ния молекул в це­лом, т.е. количество дозволен­ных стационарных со­стояний в молекуле увеличивается.

Eмол = Eэл + Eкол + Eвр

При переходе с более высоких энергетических уровней на нижние, энергия излучается, при об­ратном переходе - поглоща­ется. Энергия фотона равна разности дозволенных энергетиче­ских со­стояний атома или молекулы

hv = Е₂- Е₁

Однако не все переходы могут осуществляться, для каждого атома существуют правила отбора: одни переходы возможны или вероятны; другие переходы маловероятны, но возможны; третьи переходы вообще невозможны (запрещены). Из­лучаемая атома­ми или молекулами энергия составляет спектр испускания, по­глощаемая - спектр поглощения. Получают спектры с помо­щью спектроскопов (дисперсионных и ди­фракционных). В атомных спектрах число дозво­ленных переходов невелико, поэтому визуально спектр состоит из отдельных узких полос и на­зывается линейчатым. Его дают газы и пары металлов.

В молекулярных спектрах, в отдельных диапазо­нах частот чис­ло дозволенных переходов значи­тельно увеличивается. Такие спектры представ­ляют собой широкие полосы и называются по­лосатыми. Твердые, жидкие тела и газы под очень высоким давлением дают сплошной спектр.

Спектры являются источником различной ин­формации:

1. По виду спектра можно судить о состоянии вещества, его температуре, давлении и т.д.

2. По спектру можно определить строение атома, молекулы, структуру их энергетических уровней.

3. По интенсивности спектральных линий опре­деляют количе­ство излучающих (погло­щающих) атомов — количественный хи­миче­ский анализ (до нескольких десятков микро­грамм - 109 кг).

4. По виду спектра можно определить химиче­ский состав об­разцов (качественный химический анализ).

Рассматривая перспективы развития отдельных разделов физи­ки, следует обратить внимание на квантовую электронику. Она изучает методы усиления и генерации электромагнитных колеба­ний с использованием внутреннего излучения квантовых систем (молекул, атомов). Различают два вида квантовых излучений. Если возбужден­ная частица самопроизвольно переходит на более низкий дозволен­ный энергетический уровень, то такое излучение называют спон­танным. Оно является случайным, хаотичным во времени, час­ти­цы находятся в возбужденном состоянии 10^-8 с.

Метастабильными уровнями называются уровни, где спонтан­ный переход маловероятен (атом на­ходится в возбужденном со­стоянии 10"3с). Атомы легко переходят в невозбужденное состоя­ние, если взаимодействуют с фотонами, энергия которых равна разности дозволенных энергетических состояний возбужденной и не­возбужденной частицы. Такое излучение назы­вают вынужден­ным или индуцирован­ным. При индуцированном излучении воз­никают два фотона одинаковой частоты и фазы, распростра­няю­щиеся в одном направлении. Эти фотоны могут вызвать новые вынужденные переходы в других атомах и количество квантов должно было бы возрастать. Распределение частиц по энергетическим уровням описывается зако­ном Больцмана.

Из графика видно, что наи­большее число частиц нахо­дится в невозбужденном со­стоянии, т.е. больше фотонов поглощается. В такой среде усиления не происходит. Уси­ление электромаг­нитных волн можно вызвать, создав активную среду, в которой хотя бы для двух уровней было распределение частиц обратное больцманов­скому - так называемую инверсную заселен­ность. Это условие создается в квантовых генера­торах. Советские уче­ные Н.Г. Басов, A.M. Про­хоров, Ч. Американец Таунс в 1955 году сконст­руировали независимо друг от друга первый мо­лекуляр­ный квантовый генератор (мазер). В 1960 году были созданы ру­биновый и гелий-неоновый квантовые генераторы — лазеры. Гелий-неоно­вый лазер представляет собой газоразрядную трубку из кварцевого стекла диаметром около 7 мм. В ней нахо­дится смесь неона и гелия (в соот­ношении 1:10) при давлении 1 мм. рт. ст. В трубку вмонтированы два электрода и два плос­ких зеркала, одно из которых полупрозрачное. В атоме неона реали­зуется Больцмановское заселе­ние энерге­тических уровней. Для получения ин­версной заселенности ис­пользуются атомы гелия. Возбужденный уровень гелия совпа­дает с 3-м невозбужденным метастабильным уравнением неона. Возбужде­ние атома гелия осуществляется электрическим разря­дом между электродами. При соударении возбужденного атома гелия с невозбужден­ным атомом неона происходит без­излучательная передача энер­гии последнему. Электрон в атоме неона переходит с 1 на 3 уро­вень. Для разгрузки второго уровня диаметр трубки подбирают таким образом, чтобы атомы неона, ударяясь о стенку, безизлучательно отда­вали энергию и электроны переходили со 2-го на 1-й энергетический уровень. Таким образом до­биваются инверсной заселенности 2 и 3 уровня неона. Фотоны, возникающие при вынужденном излучении, сами вызывают вынужденные пере­ходы. При этом пучок фотонов, пер­пендикуляр­ный зерка­лам, будет испытывать наибольшее усиление (многократно отражаясь от зеркал) и выходить наружу через по­лупрозрачное зеркало. Уровни 2 и 3 имеют множество подуровней, по­этому гелий-неоновые лазеры могут работать на 30 длинах волн. Для получе­ния монохроматиче­ского индуцированного излучения зеркала 1 и 2 делают с многослойными покрытиями. За счет интерференции создаются условия для усиления только одной заданной длины волны.

Свойства лазерного излучения - монохроматич­ность, большая мощность, узкий пучок, коге­рентность. Это позволяет использовать лазеры в медицине и других областях для следующих це­лей:

1. Измерение больших расстояний с высокой точностью;

2. В голографии;

3. Как средство связи;

4. Для сварки и резки различных материалов;

5. Применение в медицине:

При появлении лазеров, в связи с широкими пер­спективами их использования перед совре­мен­ной медициной встал ряд совер­шенно новых за­дач.

1. Всестороннее изучение влияния лазерного из­лучения на различные клетки, ткани, органы, системы человеческого организ­ма в целом.

2. Изучение возможности применения лазера с лечебными целями в медицинских специально­стях.

3. Разработка профилактических и лечебных ме­роприятий против возможного вредного дейст­вия лучей лазеров на организм человека. Вопрос о механизме действия лазеров на биоло­гические объекты еще далеки от своего решения, в нем слишком много неясного.