Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 117
Текст из файла (страница 117)
Объяснение закономерностей комбина. ционного рассеяния света дает квантовая теория. Согласно этой теории, рассеяние света есть процесс, в котором один фотон поглощается и один фотон испускается молекулой. Если энергии фотонов одинаковы, то в рассеянном свете наблюдается несмещенная линия. Однако возможны процессы рассеяния, при которых энергии поглощенного и испущенного фотонов различны. Различие энергий фотонов связано с переходом молекулы из нормального состояния в возбужденное (испушенный фо- тон будет иметь меньшую частоту — возникает стоксов спутник) либо из возбужденного состояния в нормальное (испушенный фотон будет иметь большую частоту — возникает антистоксов спутник).
Рассеяние света сопровождается переходами молекулы между различными колебательными или вращательными уровнями, в результате чего и возникает ряд симметрично расположенных спутников. Число спутников, таким образом, определяется энергетическим спектром молекул, т, е. зависит только от природы рассеивающего вещества. Так как число возбужденных молекул гораздо меньше, чем чис. ло невозбужденных, то интенсивность антистоксоаых спутников меньше, чем стоксовых. С повышением температуры число возбужденных молекул растет, в результате чего возрастает и интенсивность антистоксовых спутников.
Молекулярные спектры (в том числе и спектры комбинационного рассеяния света) применяются для исследования строения и свойств молекул, используются в молекулярном спектральном анализе, лазерной спектроскопии, квантовой электронике и т.д. $232. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения Как отмечалось выше, атомы могут находиться лишь в квантовых состояниях с дискретными значениями энергии Еь Ем Ез, .... Ради простоты рассмотрим только два из этих состояний (! н 2) с энергиями Е~ и Еь Если атом находится в основном состоянии С то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние 2 (рис. 309, а), приводящий к поглощению излучения.
Вероятность подобных переходов пропорциональна плотности излучения, вызывающего эти переходы. Атом, находясь в возбужденном состоянии 2, может через некоторый промежуток времени спонтанно, без каких- либо внешних воздействий, перейти в состояние с низшей энергией (в нашем случае в основное), отдавая избыточную зтй 6. Элементы квантовой физики атомов, молекул и <всрдых тел Ю рнс. зоэ а! энергию в виде электромагнитного излучения (испуская фотон с энергией йт=Е<— — Е<).
Процесс испускания фотона возбужденным атомом (возбужденной микросистемой) без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (нли самопроизвольным) излучением (рнс. 309, б) . Чем больше нероятность спонтанных переходов, тем меньше срелнее время жизни атома в возбужденном состоянии Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излу. чение некогерентно.
В !9!6 г. А. Эйнштейн для обьяснення наблюдавшегося на опыте термодинамиче ского равновесия между веществом и испускаемым и поглощаемым нм излучением постулировал, что помимо поглощения и спонтанного излучения должен сушестновать третий, качественно иной тиа взаимодействия.
Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии 2„ действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию !<ч= Ез — Е<, то возникает вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с из. лучением фотона той же энергии Ьт= =Ез — Е< (рис.
309, в). При подобном перехпде происходит излучение атомом фотона дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Возникающее в результате таких переходов излучение называется вынужденным (нндуцнрованным) излучением. Таким образом, в процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный фотон, вызывающий испускание излучения воз бужденным атомом, и вторичаый фотон, испушенный атомом. Существенно, что вторичные фотоны неотличимы от первичных, являясь точной их копией, В статистической физике извес<ен принцип детального равновесия, согласно которому при термодинамнческом равновесии каждому пропессу можно сопоставить обратный процесс, причем скорость их протекания одинакова. А.
Эйнштейн применил этот принцип и закон сохранении энергии для излучения и поглощения электромагнитных волн в случае черного тела. Из условия, что при равновесии полная вероятность испускания (спонтанного и вынужденного) фотонов равна вероятности поглощения фотонов той же частоты, Эйнштейн получил выведенную ранее Планком формулу (200.3). Эйнштейн и Лнрак показали, что вынужденное излучение (вторичные фотоны) гожде<з пенно вынуждающему излучению (первичным фотонам) . оно имеет такую же часзоту, фазу, поляризацию н направление распространения, как н вынуждаю<нее излучение. Следовательно, вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением, т.
е. испущенный фотон неотличим от фотона, падающего на атом. Испушенные фотоны, двигаясь в одном направлении н встречая другие возбужденные атомы, стимулируют дальнейшие индупированные переходы, и число фотонон растет лавинообразно.
Однако наряду с вынужденным излучением возможен и конкурирующий процесс — поглощение. Поэтому для усиления падаю<пе<.о излучения необходимо, чтобы число актов вынужденного излучения фотонов (оно пропорционально заселенности возбужденных состояний) превышало число актов поглощения фотонов (оно пропорционально заселенности основных состояний). В системе атомов, находящейся в термодинамическим равновесии, поглощение падающего излучения будет преобладать над вынужденным, т.
е. падаю- Г л а в а 29. Элемент» саар«меннон фнэикн атомов и чолекул щее излучение при прохождении через вещество будет ослабляться. Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо создать неривновесиое состояние системы, при котором число атомов в возбужденных состояниях было бы больше, чем их число в основном состоянии. Такие состояния называются состояниями с инверсией населенностей. Процесс создания неравновесного состояния вещества (перевод системы в состояние с инверсией населенностей) называется накачкой. Накачку можно осуществить оптическими, электрическими и другими способами. В средах в инверсном состоннии вынужденное излучение может превысить поглощение, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через эти среды будет усиливаться (эти среды называются активными).
В данном случае явление протекает так, как если бы в законе Бугера 1 = )се " (см. (187.1)) коэффициент поглощения и, зависящий, в свою очередь, от интенсивности излучения, стал отрицательным. Активные среды поэтому можно рассматривать в качестве сред с отрицательным коэффициентом поглощения. Впервые на возможность получении сред, в которых свет может усиливаться за счет вынужденного излучения, указал в 1939 г, советский физик В. А. Фабрикант, экспериментально обнаружив вынужденное излучение паров ртути, возбужденных при электрическом разряде. Открытие явления усиления электромаг. нитных волн и изобретенный способ нх усиления (В. А.
Фабрикант, М. М. Вудынский, Ф. А. Бутаева; авторское свидетельство !951 г.) легли в основу квантовой электроники, разработавшей «чудо ХХ в.» — квантовые усилители и квантовыс генераторы света. й' 233. Оптические квантоные генераторы (лазеры) Практически инверсное состояние среды осуществлено в принципиально новых источниках излучения — оптических квантовых генераторах, илн лазерах (от пер- вых букв английского названия Ь!яЬ! Атр1ИгсаБап Ьу 5!)шц)а!ед Еп»ыгйоп о! над)- абоп — усиление света с помощью вынужденного излучения). Лазеры генерируют в видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях (в оптическом диапазоне).
Идея качественно нового принципа усиления и генерации электромагнитных волн, примененная в мазерах (генераторы и усилители, работающие в сантиметровом диапазоне радиоволн) и лазерах, принадлежит советским ученым Н. Г. Басову (р. 1922) и А.М. Прохорову (р. 19!6) н американскому физику Ч. Таунсу (р. 19!5), удостоенным Нобелевской премии 1964 г.
Важнейшими из существующих типов лазеров являются твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные (в основу такого деления положен тип активной среды). Более точная классификация учитывает также и методы накачки — оптические, тепловые, химические, электрононизациониые н др.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
