Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Результаты опыта указывали на то, что у охлажденного !г "' линии испускания н поглощения у.лучей совпадают и имеют очень малую ширину, равную естественной ширине Г. Это явление упругого (т. е. не сопровождающегося изменением внутренней энергии тела) .испускания или поглощения у-квантов было названо э ф ф е к т о м М е с с б а у э р а. Вскоре эффект Мессбауэра был открыт в Ге" и для ряда других веществ. В случае Ге" эффект наблюдается при температурах до 1000'С, так что нат необходимости в охлаждении.
Кроме того, Гем отличается чрезвычайно малой естественной шириной линии. Чтобы выяснить условия, необходимые для существования эффекта Мессбауэра, применим закон сохранения энергии к процессу радиоактивного распада ядра, нахо- 420 дящегося в узле кристаллической решетки. Энергия перехода ЛЕ в принципе может распределяться между у-квантом, распадающимся ядром, твердым телом как целым и, наконец, колебаниями решетки. В последнем случае наряду с у-фотоном возникнут фононы. Проанализируем эти возможности. Энергия, необходимая для того, чтобы ядро покинуло свое место в решетке, равна по меньшей мере — 10 зв, в то время как энергия отдачи й не превышает нескольких десятых электрон- вольта.
Поэтому атом, ядро которого распалось, не может изменить свое положение в решетке. Энергия отдачи, которую может получить твердое тело как целое, чрезвычайно мала, так что ею можно пренебречь (эту энергию можно оценить, заменив в (85Л) массу ядра массой тела). Таким образом, энергия перехода может распределяться только между у-квантом и фононами. Мессбауэровскнй переход осуществляется.
в том случае, если колебательное состояние решетки не изменяется и у-квант получает всю энергию перехода. При радиоактивном распаде ядра, находящегося в узле кристаллической решетки, вероятность возбуждения фононов с энергией порядка Ва„ = йО (Π— температура Дебая) во 'много раз больше, чем вероятность возбуждения фононов меньших энергий. В самом деле, колебанию частоты ы соответствует длина волны Х м = 20 (см.
$ 84). В этом случае соседние атомы движутся'в противофазе, что может произойти„когда распадающийся атом получает всю энергию отдачи Я и ударяет затем в соседний атом. Для возбуждения более длинных волн (меньших частот) необходимо, чтобы одновременно было приведено в движение сразу несколько (Ф) атомов, что является маловероятным. К тому же в последнем случае, хотя энергия возбуждаемого колебания будет в Ф раз меньше (Х увеличивается в Ф раз, а Вю уменьшается в то же число раз), энергия отдачи также уменьшается в Ф раз (она обратно пропорциональна массе системы, испытывающей отдачу). Таким образом, вероятность возбуждения колебаний решетки будет велика при условии, что энергия отдачи Й, получаемая при радиоактивном распаде отдельным атомом, равна или больше энергии фонона максимальной частоты: )г ) Ьгэ = ЙО.
Прн Й <( АО (что имеет место для Ге") уже при комнатной температуре заметная доля ядерных переходов 42! происходит без отдачи. При Я вЂ” ЬО (что имеет место для )ггэг) для получения измеримого резонансного поглощения нужно с помощью охлаждения уменьшить вероятность возбуждения колебаний решетки.
За несколько лет, прошедших после его открытии, эффект Ь(ессбауэра нашел многочисленные применения. В ядерной физике он используется для нахождения времени жизни возбужденных состояний ядер (через Г), а также для определения спина, магнитного момента и электрического квадрупольного момента ядер. В физике твердого тела эффект Мессбауэра применяется для изучения динамики кристаллической решетки и для исследования внутренних электрических и магнитных полей в кристаллах. Американские физики Паунд и рейка использовали эффект Мессбауэра для обнаружения предсказанного общей теорией относительности г р а в и т а ц и о н н о г о красного смешения частоты фотона (для обнаружения веса фотона). Из общей теории относительности следует, что частота фотона должна изменяться с изменением гравитационного потенциала. Согласно так называемому принципу эквивалентности') фотон обладает гравитационной массой, равной его инертной массе и = Ьго/се„[см.
(57.3)]. При прохождении в однородном гравитационном поле, характеризуемом ускорением силы тяжести а, пути 1 в направлении, противоположном направлению силы лги,' энергия фотона должна уменьшиться на птй(( = Ьгоа1/сэ х). Следовательно, энергия фотона станет равной Ьмп( . Г и( '1 Ью' = Ью — = Ью ~1 — — ) т = ( ст)Ф откуда для частоты фотона получается значение щ'= ю (1 — л() ~) Прющип экяивалентностн утверждает, что эффект гравитации невгэможно отличить от эффекта, обусловленного ускорением системы отсчета. Например, а лифте, движущемся с ускорением д, направленныи вверх, пружинные весы покажут вес он, в два раза превосходящий показания весов в покоящемся (илп двиксущел~сн без ускорении) лифте. Из этого Принципа вытекает энвивалептпость гравитационной и инертной масс. х) Напомним, что и полную энергию тст не входит потенцнальпаи энергия тела во внешнем поле.снл (см.
$42). Согласно последней формуле относительное изменение частоты фотона не е — е' л1 Ър е е с' с' пропорционально изменению гравитационного потенциала Лгр = п(. Свет, приходящий на Землю от Солнца или от звезд, преодолевает сильное притягивающее поле этих светил. Вблизи же Земли он испытывает действие лишь очень слабого ускоряющего поля. Поэтому все спектральные линии звезд должны быть немного смещены в сторону красного конца Уаюстиат спектра.
Такое смещение, называемое гравитационным красным смещением, было качественно подтверждено наблюдениями. Паунд н Ребка предприняли попытку обнаружить это явление в Ёть земных условиях. Они расположили источник у-излучения (Геат) и поглотитель в высокой башне на расстоянии 21 м друг от друга (рис. 243). Относительное изменение энергии у-фотона при прохождении этого расстояния составляет татгс~тжнь всего рис, 243. 9 1Ое =2 ° 10 Это изменение') обусловливает относительное смещение линий поглощения и испускания и должна проявиться в небольшом ослаблении резонансного поглощения. Несмотря на крайнюю малость эффекта (сдвиг составлял около 1О ' ширины линии), Паунду и Ребке удалось обнаружить и измерить его с достаточной степенью точности. Полученный ими результат составил 0,99-+0,05 от предсказанного теорией.
Таким образом, удалось убедительно доказать наличие гравитационного смещения частоты фотонов в земной лаборатории. ') Если источник расположить вверху, а приемник внизу, анергия фотона возрастает, так что имеет место фиолетовое смешение частоты. 9 36. Лазеры. Нелинейная оптика Лазеры. Впервые принцип усиления света за счет вынуисденного излучения (см. $80) был предложен советским физиком В. А. Фабрикантом в 1940 г.
Использование вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн в микроволновом диапазоне !было предложено в 1953 г. независимо советскими учеными Н. Г. Басовым н А. М. Прохоровым и американскими учеными Таунсом и Вебером' ). Соответствующие приборы, работающие в диапазоне сантиметровых волн, получили название м а веров. Слово «мазер» происходит от первых букв английского названия М!сготеате Атр11- Вса(!оп Ъу 81йпп)а(еб Егп!ввюп о1 араб!а1!оп (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения).
В 1960 г. Мейманом (США) был создан первый аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне,— лазер (1!пЪ1 Атр1Нка1юп Ъу 51!гпп!а1еб Егп!ввюп о1 Каб!а1(оп — усиление света с помощью вынужденного излучения). Иногда лазеры называют о и т н ч е с к и м и квантовыми генератора ми. В $80 мы выяснили, что падающий на вещество свет частоты ач совпадающей с одной из частот (Š— Е )(Ь атомов вещества (Е„> Е ), будет вызывать два процесса: 1) переход атомов из состояния с энергией Е, всостояние с энергией Е„, 2) вынужденный переход атомов из состояния и в состояние и. Первый процесс приводит к поглощению света и ослаблению падающего пучка, второй — к увеличению интенсивности падающего пучка. Результирующее изменение интенсивности светового пучка зависит от того, какой из двух процессов преобладает.
В случае термодинамичесиого равновесия распределение атомов по различным энергетическим состояниям определяется законом Больцманв: -ее/аг =Се елаг и,(аг = е ~а е где Й вЂ” полное число атомов, Йе — число атомов, находящихся при температуре Т в состоянии с энергией Е» '! В 1В64 г. Басопу, Прохорову и Тауису была за зги работы присуждала Нобелеаскаа преиии. 424 (для простоты мы предположили, что все энергетические уровни не являются вырожденными). Из формулы (86.1) следует, что с увеличением энергии состояния населенность у ровня, т.
е. количество атомов в данном состоянии, уменьшается. Число переходов между двуми уровнями пропорционально населенности исходного уровня. Следовательно, в системе атомов, нахедящейся в термодинамическом равновесии, поглощение падающей световой волны будет преобладать над вынужденным излучением, так что падающая волна прн прохождении через вещество ослабляется. Для того чтобы получить усиление падающей волны, нужно каким-либо способом обратить населенность энергетических уровней, т.
е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией Е„находилось большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией Е . В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную населенность. Согласно формуле (86.1) В случае инверсной населенности (Л' /У ) > 1 при (Е„ — Е, ) ) О. Распространяя формально на этот случай распределение (86.1), мы получим для Т отрицательное значение. Поэтому состояния с инверсной населенностью называют иногда состояниями с отрицательной температурой. Следует иметь в виду, что последний термин является чисто условным.
Дело в том, что состояния с инверсной населенностью являются неравиовесными. Понятие же температуры применимо только к равновесным состояниям. В веществе с инверсной населенностью энергетических уровней вынужденное излучение может превысить поглощение света атомами, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через вещество будет усиливаться. Изменение интенсивности света при прохождении через поглощающую среду описывается формулой [см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
