Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 93
Текст из файла (страница 93)
363) накопится достаточный избыток атомов по сравнению с уровнем 1, возникает рассмотренный ранее процесс генерации света с частотой, соответствующей разности уровней 2 и 1 (красный свет с длиной волны около 690 нм). Через один из своих торцов (покрытие которого сделано слегка прозрачным) рубин испустит при этом узкий красный луч. Луч будет в высокой степени параллельным, так как генерация происходит на волнах, многократно проходящих вдоль кристалла, отражаясь от зеркал на его концах, т. е. распространяюгцихся перпендикулярно к торцам рубинового стержня (рис. 365), Очевидно, что излучение такого лазера будет продолжаться только во время разряда конденсатора 1 через газоразрядную лампу 2, т. е.
такой лазер будет 48$ работать в импульсном режиме. При ином механизме воз- буждения возможно обеспечить непрерывную генеранию света лазером. Особенно легко это осуществляется с газо- выми лазерами. и) б) Рис. 364. Гидравлическая аналогия лытода оптической «накачки» для создания избыючпой населенности па возбужденном уровне. Высота столба воды в баке 2 возрастает при работе насоса 4 до тех пор, пока не станет достаточной, чтобы «протолкнуть» вщо доставляемую насосом воду через узкую спивную трубу.
Работа насоса а) с малой и б) с большой производительностью. В этой аналогии баки 1, 2 и 3 играют роль уровней атома хрома в рубине, высота столбов воды — роль населенностей уровней, насос — роль источника «накачивающего» зеленого света Рнс. 365. Устройство о~. тического генератора на рубине: ! — конденсатор, 2 — газоразридная лампа, 3 — отражающий кожух, 4 — рубиновый стержень, 5 — источник питания, служащий для зарядки конденсатора ! Очень важным свойством излучения квантового генератора является его когерентнооть (сьь Я 44 и 124): световые 2 волны, испускаемые разными участг» ками светящейся поверхности гене- ратора, находятся в одной фазе; Ицуценце колебания являются правильными в том смысле, что их частота постоянна, а фаза не испытывает иеб регулярных изменений.
В этом отношении квантовые генераторы намного превосходят все другие источники света и, по существу, не отличаются от обычных генераторов радиоволн. Когерентность, правильность излучения квантового генератора, обусловлена тем, что вынужденно испущенный свет строго сог- ласован с вынуждающим светом, неотличим от него. Правильность излучения квантового генератора настолько велика, что с некоторыми типами таких устройств удается наблюдать интерференцию пучков света, испускаемых двумя независимыми генератора. Как отмечено в А [24, с обычными источниками света такой результат не может быть получен.
Когерентность, зюнохроматичность и направленность (коллимация) излучения квантовых генеоаторов позволяют с помощью собирающих линз фокусировать излучение на малую площадь размером порядка квадрата длины волны света. Концентрация энергии в фокусе оказывается настолько большой, что луч рубинового генератора, сфокусированный на стальную пластинку, мгновенно прожигает в ней тончайшее отверстие. Зти же свойства квантовых генераторов позволяют предвидеть многие другие применения, например для передачи энергия и для связи на большие расстояния, вплоть до космических.
Зти перспективы объясняют большие усилия физиков и техников, направленные на дальнейшее сзвер- 1 шенствование квантовых генераторов. Зйнштейн пришел к выводу о существовании вынужденного из- Рис. 366. Пояснение возникнолучення путем рассуждений, идею вения вынугкденного изл) чения которых упрощенно можно изложить следующим образом. Рассмотрим непрозрачный сосуд с двумя отверстиями 1 а 2, наполненный газом и помещенный в термостат (рис. Збб). Пусть во всех частях системы установилась одна и та же температура. В дальнейшем температура внутри сосуда сама собой изменяться не может, так как для создания разности температур (т.
е. переноса тепла от хододного тела к горячему) нужно затратить работу. (см, том 1, гл. Х1Х). Так как нагретый термостат светится, в нем присутствует излучение. Интенсивность пучка излучения, входящего в сосуд через канал 1, должна равняться интенсивности лучив, выходящего из канала 2. В противном случае в сосуд будет вноситься (или выноситься) энергия и температура внутри него будет изменяться, что невозможно.
Но атомы газа внутри осуда, находящиеся на нижнем энергетическом уровне; поглощают вет резонансной частоты, ослабляя излучение, выходяпгее через отвер:тке 2. Следовательно, это поглощение должно компенсироваться излучением. Спонтанное излучение атомов, находящихся на верхнем уровне, не может дать полной компенсации. Действительио, при увеличении температуры интенсивность спонтанного излучения перестает возрастать после того, как населенности верхнего и нижнего уровней сравняются.
В то же время интенсивность теплового свечения с нагревом возрастает неограниченно; пропорционально растут интенсивность пучка света, входящего в сосуд, и число поглощаемых в секунду квантов. Поэтому при очен ь высокой температуре спон- танное ьзлучснне можно не принимать во внимание. Отсюда следует, что должно существовать излучение той же резонансной частоты, пропорциона.чьное силе света в пучке, и при равной населенности атомных уровней в точности компенсирующее поглощение. Это и есть вынужденное излучение. й 206. Атом водорода. Своеобразие законов движения электрона в атоме.
Существование дискретных энергетических уровней является фундаментальным свойством атомов (так же как н молекул, и атомных ядер). Попробуем применить известные нам законы фгизики, чтобы представить себе устройство атома, объясняющее дискретность его энергетических уровней, Рассмотрим простейший из атомов — атом водорода. Порядковый номер водорода в периодической системе элементов равен единице, следовательно, водородный атом состоит из положительного ядра, заряд которого равен -' е, и о д н о г о электрона.
Между ядром и электроном действует сила притяжения зарядов. Наличие этой силы обеспечивает радиальное (ггентростреыггтельное) ускорение, благодаря чему легкий электрон вращается вокруг тяжелого ядра по круговой или эллиптической орбите точно так же, как планета вращается вокруг Солнца под влиянием силы тяготения, Различным возможным состояниям атома соответствует, таким образом, различие в размерах ги форме) орбиты электрона, вращагошегося вокруг ядра ").
Энергия электрона в атоме слагается из кинетической энергии движения по орбите н потенциальной энергии в электрическом поле ядра. Можно показать гсм. в конце параграфа), что энергия электрона па круговой орбите, а следовательно, н энергия атома в целом зависят от радиуса орбиты: леньше.ну радиусу орбнпгы соогггветссавует меньтая змвргггя атома. Но, как мы видели в у 204, энергия атома может принимать не любые, а только о и р е д е л е н н ы е избранные значения.
Так как энергия определяется радиусом орбиты, то каждому энергетическому уровню атома отвечает орбита определенного и збранпого радиуса. Картина возможных круговых орбит электрона в атоме водорода изображена на рис. 367, Основному энергетическому уровню атома соответствует орбита нагименьшего радиуса. Норлзально электрон находится на этой орбите. При сообщении достаточно большой порции энергии электрон ') В дальнейших рассуждениях будем считать все орбиты круговымн; зто упрощение не повлияет на выводы, 488 переходит на другой энергетический уровень, т.
е. «перескакивает» на одну нз внешних орбит. Как указывалось, в таком возбужденном состоянии атом неустойчив. Через некоторое время электрон переходит на более низкий уровень, т. е. «перескакивает» на орбиту меныпего радиуса. Переход электрона с дальней орбиты на ближнюю сопровождается испусканием светового кванта. Итак, нз ядерной модели атома и дискретности его энергетических уровней вытекает существование избранных, «разрешенных», орбит электрона в атоме. Встает вопрос, почему электрон не может вращаться вокруг ядра по орбите произвольного радиуса В чем физическое различие дозволенных и недозволенных орбит? л" э Законы механики и электри- «ээ чества, знакомые нам из предыдущих разделов учебника (см.
) ~ ~ сзз=г2 ~х 44 тома 1, П), не дают на эти воп- ! $ т росы никакого ответа. С точки т '~, / зрения этих законов все орбиты совершенно равноправны. Существование выделенных орбит п р о т и в о р е ч и т этим Рис. 367. Возможиые оРбиты электрона в атоме водорода: радиус орбит возрастает про. Не менее разительным про- порпионалэио и', т. е. в оттиворечпем известным нам вако- иоюеиви 1; 4: 9: !б и т, д. нам физики является у с т о йч и в о с т ь атома (в основном состоянии). Мы знаем, что всякий заряд, движущийся с ускорением, излучает электромагнитные волны. Электромагнитное излучение уносит с собой энергию.
В атоме электрон движется с большой скоростью по орбите малого радиуса и, следовательно, обладает огромным пентрострелштельным ускорением. Согласно известным нам законам электрон должен терять энергию, излучая ее в виде электромагнитных волн. Но, как было указано выше, если электрон теряет энергию, радиус его орбиты уменьшается. Следовательно, электрон не может вращаться по орбите постоянного радиуса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
