Александр Китайгородский - Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Итак, энергия молекулы может быть задана в виде

Е= Е эл+ Е кол+ Е вр.

Частота излученного или поглощенного света будет всегда соответствовать разности (значок Δ) двух уровней, т. е.

v= (1/ h)∙(Δ Е эл+ Δ Е кол+ Δ Е вр).

Хотелось бы выделить такие переходы, при которых меняется только один «сорт» энергии. Практически это возможно, только для вращательных переходов, и мы легко поймем, почему.

Начнем исследовать поглощение электромагнитных воли группой молекул с самых длинных волн, т. е. с палых порций энергии hv . До тех пор, пока величина кванта энергии не станет равной расстоянию между двумя ближайшими уровнями, молекула поглощать не будет. Постепенно увеличивая частоту, мы дойдем до квантов, способных поднять молекулу с одной «вращательной» ступеньки на другую. Это произойдет, как показывает опыт, в области микроволн (край радиодиапазона), или, иначе говоря, в области, далекого инфракрасного спектра. Длины волн порядка 0,1–1 мм будут поглощаться молекулами. Возникнет чисто вращательный спектр.

Новые явления произойдут тогда, когда мы направим на вещество излучение, обладающее квантами энергии, достаточными для перевода молекулы с одного колебательного уровня на другой. Однако мы никогда не получим чисто колебательного спектра, т. е. такую серию переходов, при которой номер вращательного уровня сохранялся бы. Напротив, переходы с одного колебательного уровня на другой будут затрагивать различные вращательные уровни. Скажем, переход с нулевого (самого низкого) колебательного уровня на первый может состоять в подъеме с третьего вращательного уровня на второй или со второго на первый и т. д. Таким образом, возникнет колебательно-вращательный спектр. Мы будем наблюдать его в инфракрасном свете (3—50 мкм). Все переходы с одного колебательного уровня на другой будут мало отличаться по энергии и дадут в спектре группу очень близких линий. При малом разрешении эти линии сольются в одну полосу. Каждая полоса соответствует определенному колебательному переходу.

Мы попадем в новую спектральную область, в область видимого света, когда энергия кванта станет достаточной для перевода молекулы с одного электронного уровня на другой. И здесь, разумеется, невозможны ни чисто электронные переходы, ни электронно-колебательные. Возникнут сложные переходы, в которых энергетический переход сопровождается переменой и «дома», и «этажа», и «квартиры». Поскольку колебательно-вращательный’ переход представляет собой полосу, то спектр в видимой области будет практически сплошным.

Характеристические спектры атомов и молекул долгие годы исполняли (и продолжают исполнять и сегодня) скромную роль помощников в деле определения химического, строения и состава веществ. Революционные события и области спектроскопии произошли совсем недавно.

Первые тридцать лет нашего века ознаменованы фантастическими успехами теоретической физики. В эти годы были открыты такие важнейшие законы природы, как законы механики больших скоростей, законы строения атомного ядра, законы квантовой механики. Последующие сорок лет демонстрируют не менее феноменальные успехи приложения теории к практике. В эти годы человечество научилось извлекать энергию из атомных ядер, получило в свое распоряжение полупроводниковые транзисторы, революционизирующие радиотехнику и приведшие к созданию ЭВМ, и овладело лазерной техникой. Эти три приложения, по сути дела, и привели к событиям, которые именуют научно-технической революцией.

В этом параграфе речь пойдет о лазерах. Задумаемся над обстоятельствами, которые не позволяют нам, действуя традиционными методами, создать сильный направленный пучок света.

Самый мощный свет, собранный в предельно узкий пучок, расходится и теряет свою интенсивность на расстояниях. И лишь в научно-фантастическом романе Алексея Толстого герой придумывает «гиперболоид», позволяющий создавать лучи, способные жечь, резать, нести громадную энергию на далекое расстояние. Разумеется, можно изготовить такое вогнутое зеркало, которое создаст параллельный пучок света. Для этого надо в фокус зеркала поместить точечный источник. Но точечный — это математическая абстракция. Ну, пусть не точечный, а просто небольшой. Однако, даже накалив шарик до 6000 К (а больше ни один материал не выдерживает), мы получим пучок света жалкой интенсивности. А как только начнем, увеличивать размеры источника, так сразу же вместо параллельного пучка лучей получим веер световых «нитей» и интенсивность луча прожектора будет быстро убывать с расстоянием.

Итак, первое препятствие на пути создания сильного луча — это то, что атомы излучают свет во все стороны. Первое, но не последнее. Атомы и молекулы излучают, так сказать, не сговариваясь друг с другом. Поэтому лучи, исходящие из разных атомов, отправляются в путешествие несогласованно, не дожидаясь друг друга. Это приводит к тому, что излучения разных атомов не совпадают по фазе. A раз так, то лучи от разных атомов будут зачастую уничтожать друг друга. Последнее, как вы вспоминаете, происходит тогда, когда горб одной волны приходится на впадину другой.

Вот эти препятствия и удается преодолеть, создав лазерное излучение. Слово «лазер» — это сокращенное английское название: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает: усиление света с помощью стимулированного излучения.

Идея складывается из нескольких элементов. Прежде всего мы вспоминаем, что наряду со спонтанный излучением существует вынужденное. Как было сказано, этот вид излучения возникает тогда, когда фотон света встречается с возбужденным атомом. Если энергия возбуждения атома в точности равна энергии фотона, то фотон заставляет атом высветиться. Атом переходит на более низкий уровень и излучает фотон. Замечательной особенностью стимулированного излучения является то, что этот фотон будет таким же, как тот, который его породил, не только в отношении своей энергии; он отправится в путь с той же фазой и в том же направлении.

Второй элемент идеи состоит в следующем. Если систему излучающих атомов заключить в трубку, донышки которой находятся на определенном расстоянии друг от друга и могут явиться зеркалами для тех фотонов, которые нас интересуют, то мы можем за счет путешествий фотонов туда-обратно постепенно собрать в этом сосуде множество фотонов, порожденных одинаково возбужденными атомами.

Третий элемент идеи заключается в том, чтобы подольше удержать атомы в возбужденном состоянии, а затем после такой «накачки» заставить все атомы высветиться одновременно. Осуществление идеи лазера, т. е. размножение одного фотона и получение миллиардов тождественных, неотличимых по своим свойствам фотонов, должно привести к созданию светового луча беспрецедентной интенсивности. Такой пучок размывался бы в ничтожной степени, и на поперечное сечение луча приходилась бы огромная энергия.