Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 92
Текст из файла (страница 92)
360), через е) Отметим, что в этих опытах яаблгодается свечение пара ртутн с испусканием света с длиной волны 253,7 нм, воэнакашшее, когда энергяя электронов становятся равной ялн больше 4,9 эВ. небольшой промежуток времени (около 10 ' с) перейдет в более бедное энергией состояние, испуская соответствующий квант. Из низшего энергетического состояния (п=1) атом не может самопроизвольно (без сообщения энергии извне) перейти в другое состояние.
Следовательно, низшее состояние является устойчивым*). При иор- трнедаац эН Ю двлал Липмана Рис. 360. Схема энергетических уровней атома водорода. Горизонтальные линни — энергетические уровни (и — вомер уровня). За начало отсчета по шкале аиергий принята наименьшая внутренняя энергия атома водорода, т. е. энергия уровня и= !. Вертикальные линни — переходы с верхних энергетических уровней на нижние. хслииа такой линии дает энергию ач светового кванта, излучаемого прн данном переходе.
Переходы группируются в серии: серая Лаймэна — переходы с уровней и>! на уровень и=), серая Бальмерэ — переходы с уровней п>2 на уровень п=2 и т. д. (см. также б !75) мальных условиях все атомы находятся в низшем энергетическом состоянии, и газ не светится. Сообщая атому энергию, мы можем в о з б у д н т ь его, т. е. перевести из нормального (низшего) состояния в одно е) Самый низкий энергетический уровень называется основным, все остальные уровни — воздуягденнэ1ми. 1Ь Эиеиентеремя учебник финики, т. !11 ва! нз высших энергетических состояний, В случае водорода расстояние от низшего энергетического уровня (п=1) до ближайшего высшего уровня составляет 10,1 эВ.
Это и а и- меньшая порция энергии, которую находящийся в низшем состоянии водородньш атом может поглотить. Меныпей энергии атом водорода нс может воспринять, ибо у него ие существует состояний, энергия которых отличается от энергии нормального состояния меньше чем на 10,1 эВ. Для атома ртути аналогичная величина равна, как мы видели, 4,9 эВ. 5 200. Вынужденное излучение света. Квантовые генераторы.
Представление о квантовых энергетических уровнях атомов было введено в физику Н. Бором в ! 9! 3 г. Оно очень Пг-е- ф ' ' П(' иг 'сх -"Р.Ъ )у" — - в-И -)у 1 о к б 2 и> П) П) Рнс. 36(. а) Спонтанное излниние света: 1 — в результате столкновення с друш>м атомом нлн с электроном, нлн в результате поглощения светового кванта атом перешел на один нз своих верхних уровней Пт (для простоты на схеме указаны только два квантовых уровня Пг н П:"), 2 — через некоторое время возбужденный атом сам по себе (без внешних воздействнй) переходят на ннжннй уровень Гт", испуская световой квант (ш= Пà — %". б) Резонансное поглощение свегпа. 1 — атом, находя(р — (э" щнйся на уровне Ю", облучается светом с частотой т= — (резо. л накепая частота), 2 — атом поглощает нз светового пучка один квант йт= (Н вЂ” Пт' Н ПЕРЕХОдят На урОВЕНЬ (р„ СВЕтОВОй ПУЧОК ОСЛабЛяЕтСя:, 3 — возбу>кденный атом прн столкновеннп с другим атомом отдает ему энергию н возвращается на уровень Пг' (ов может вернуться на уровень (р" нлн перейти на другой уровень, расположенный ниже уровня П>, также н путем излучения светового кванта), а) Вынужденное излучение света: 1 — атом, находящийся на верхнем уровне (Г>, облучается светом резонансной частоты, 2 — атом испускает квант йч= (Р— Пт' в направлении падающего светового пучка, который в результате этоГо уселнаается; этол> переходит прн этом на нижний уровень П"' естественно объяснило линейчатые атомные спектры как результат процессов с п о н т а н н о г о (самопроизвольного) излучения и резонансного(избирательного) и о г л о щ е н и я света атомами (рис.
361, а и б). В 1919 г. Эйнштейн показал, что наряду с процессами спонтанного излучения и резонансного поглощения существует третий процесс — вынужденное (индуцированное) излуче- 482 ние. По Эйнштейну свет резонансной частоты, т. е. той частоты, которую атомы способны поглощать, переходя на более высокий энергетический уровень, должен вызывать высвечивание атомов, уже находящихся на этом верхнем уровне (рнс. 36), в), если таковые имеются в среде. Характерная особенность вынужденного излучения состоит в том, что испускаежьей свет неотличиж от вынуждаюшегосвета,т.
е. совпадает с ним по всем признакам — по частоте, фазе, поляризации и направлению распространен и я. Это означает, что вынужденное излучение добавляет в световой пучок точно такие же кванты, какие уводит из него резонансное поглощение. Поэтому на опыте проявляется только разность поглощенного и вынужденного излучения, Поглощают свет атомы, находящиеся на н и жнем из двух участвующих в игре уровней, изл уч а ют же атомы, находящиеся 2 на в е р х н е м уровне. Ввиду этого, если среда содержит на нижнем уровне больше атомов, чем на верхнем,то преобладает поглощение и световой пучок ослабляется средой.
Напротив, если больше населен верхний уровень, то преобладаегп вынужденное излучение и среда усиливает проходящий свет. В последние годы это явление получило применение в очень перспективных приборах — квантовых усилшпелях и генераторах света. Схема действия квантового генератора приведена на рис. 362. Пространство между зеркалами заполнено активной средой, т. е, средой, содержащей больше возбужденных атомов, чем невозбужденных. Среда усиливает проходящий через нее свез, начало которому дает спонтанное излучение одного из атомов.
Большое усиление достигается, когда угол а очень мал, так что свет испытывает много отражений и все лучи накладываются, усиливая друг друга. (Это соответствует образованию в пространстве между пластинами 1 и 2 стоячей световой волны, см. Э 47.) Излучение генератора выходит наружу через зеркало 2. Такой генератор излучает свет с частотой %' — У' , где %' — ))г — разность энергий уровней, участвующих в процессе. Построены генераторы и усилители, действуюгцие в диапазоне коротких радиоволн, инфракрасного, видимого и ультрафиолетового света"). Так как при излучении света атомы переходят с верхнего уровня на нижний, генерация приводит к быстрому уменьшению избытка населенности верхнего уровня.
Если не восполнять уменьшение, то действие генератора прекратится, как только избыточная населенность снизится до некоторого предельного уровня. Изложенные принципы были осознаны и реализованы только спустя 3 — 4 десятилетия после открытия Эйнштейном вынужденного излучения **). Причина этого кроется в необычности состояния, когда большая часть атомов находится на верхнем уровне.
В обычных условиях всегда наблюдается обратное положение — сильнее заселен нижний уровень. Это связано с тем, что для перехода с нижнего уровня на верхний атому надо сообщить порцию энергии, равную разности уровней Тат — )Р", тогда как для обратного перехода подвода энергии не требуется. При низких температурах только ничтожная доля атомов обладает кинетической энергией, большей )г' — )и". Поэтому возбуждение атома при атомных столкновениях является исключительно редким событием, и все атомы находятся на основном уровне. Это проявляется в хорошо известном факте — холодные вещества не светятся.
С повышением температуры населенность возбужденных уровней возрастает и появляется свечение. При очень высоких температурах, когда кинетическая энергия атомов много больше )зт — (г", энергия, необходимая для возбуждения атома при атомных столкновениях, становится легко доступной. В этих условиях населенности уровней выравниваются.
Однако добиться, чтобы верхний уровень стал более населенным, чем нижний, нагревом нельзя. Этого можно достигнуть только с помощью специальных методов, один из которых мы рассмотрим сейчас при описании оптического квантового генератора на рубине. Рубин — кристалл окиси алюминия А1»0» (корунд), содержащий небольшую примесь окиси хрома. Для работы ") Для этих приборов употребляют также названия лазер (мазар)— сокращения ангтиаских слов в фразах «1(КЫ (М(его»заче) Агприйсаноп Ьу Бнпщ1а1еб Ещ(аиоп о( даща1юп», т.
е. «усиление света (микроволн) при помощи нндупированного излучения». **) Толчок атому дали исследования нескольких групп физиков в СССР (Н. Г. Басов, А, М. Прохоров, В. А. Фабрикант), США и Канаде. квантового генератора используются энергетические уровни атомов (точнее ионов) хрома, входящих в рубин; схема этих уровней представлена на рис. 363.
Освещая кристалл зеленым светом. можно перевести атом хрома с основного уровня 1 на уровень 3. С уровня 3 атом в болыпинстве случаев переходит на уровень 2, безызлучательным переходом, отдавая энергию кристаллической решетке корунда, а уже с уровня 2 — на уровень 1. Скорость переходов 3- 2 в тысячи раз больше скорости перехода 2- 1.
Благодаря этому атомы «оседают» на уровне 2. Если кристалл освещать зеленым и синим светом очень болыпой интенсивности, то на уровень 2 можно перевести больше половины атомов хрома, содержащихся в кристалле, т.е. получить то «неестественное» соотношение населенностей уровней, которое м г нужно для работы квантовых генераторов. Гидравлическая м'м аналогия метода оптической Й «накачки» для создания избы- В точной населенности на возбужденном уровне изображеРнс. 363. Схема анергетннескнх уровней атома хрома в рубнне Устройство рубинового генератора показано на рис. 365.
«Накачивающая» вспышка зеленого и синего света возникает при разряде конденсатора 1 через импульсную газоразрядную лампу 2, помещенную в отражающем кожухе 3. Лампа в виде спирали окружает рубиновый стерженек 4 со строго плоскопзраллельными отполированными торцами, па которые нанесены зеркальные слои. Как только под действием «накачивающей» вспышки на уровне 2 (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
