Фізіка. 11 клас

Як аказалася, заканамернасці выпраменьвання святла атамамі вызначаюцца не толькі «самім» атамам, але і знешнімі ўмовамі, якія могуць паўплываць на дадзены працэс. Якія віды выпраменьвання існуюць? У чым іх падабенства і ў чым адрозненні? Дзе іх можна выкарыстоўваць практычна?

Нагадаем, што атам можа знаходзіцца ў адным са стацыянарных станаў, энергія якіх квантаваная, г. зн. мае дыскрэтны шэраг значэнняў E₁, E₂, … E_n. Адпаведна, пры пераходах паміж гэтымі станамі атам выпраменьвае ці паглынае кванты энергіі электрамагнітнага поля. Існуюць два віды пераходаў: спантанныя і вымушаныя.
Калі атам, які знаходзіцца ва ўзбуджаным стане на верхнім энергетычным узроўні E_m, пераходзіць на больш нізкі ўзровень En самаадвольна без якіх-небудзь знешніх уздзеянняў, то адбываецца так званы спантанны пераход (мал. 203, а). Пры такім пераходзе выпраменьваецца фатон, частата якога вызначаецца суадносінай:

.

(1)

Пераход такога роду з’яўляецца выпадковым (імавернасным) працэсам, які адбываецца ў прынцыпова непрадказальны момант часу. Такім пераходам адпавядае спантаннае выпраменьванне. Такія працэсы адбываюцца ў нагрэтых целах і газах, якія свецяцца. Пры награванні ці электрычным разрадзе частка атамаў пераходзіць ва ўзбуджаны стан. Затым яны выпраменьваюць святло, пераходзячы ў асноўны стан.
Выпадковасць спантанных пераходаў у атамах і малекулах розных рэчываў азначае тое, што яны адбываюцца не адначасова і незалежна адзін ад аднаго, таму фазы выпраменьваемых пры пераходах электрамагнітных хваль не ўзгоднены. Выпадковым з’яўляецца не толькі момант выпускання фатонаў, але і напрамак іх распаўсюджвання, а таксама напрамак  электрычнага поля і  магнітнага поля ў электрамагнітнай хвалі, г. зн. іх палярызацыя. З прычыны гэтага спантаннае выпраменьванне рэчыва не накіраванае, не кагерэнтнае, а напрамкі вектараў  і  хаатычна змяняюцца (не палярызаванае). Прыкладам такога выпраменьвання з’яўляецца святло лямп напальвання.

Пераход атама з аднаго стану ў іншы можа адбывацца таксама і безвыпраменьвальным шляхам. У гэтым выпадку лішак энергіі вылучаецца ў якой-небудзь іншай форме. Напрыклад, ён можа перайсці ў кінетычную энергію навакольных малекул.

Атам, які знаходзіцца ва ўзбуджаным стане, можа перайсці з верхняга ўзроўню  на ніжні  не толькі спантанна, але і пад дзеяннем электрамагнітнага выпраменьвання, частата якога  супадае
з частатой (1) (мал. 203, в). Пераходы, якія адбываюцца пад дзеян­нем знешняга электрамагнітнага выпраменьвання, называюцца індуцыраванымі або вымушанымі. Пры такім пераходзе выпраменьваецца квант энергіі  які дадаецца да выпраменьвання, якое выходзіць ад знешняй крыніцы. Адметнай асаблівасцю індуцыраванага выпраменьвання з’яўляецца тоеснасць выпрамененага фатона і фатона, які індуцыраваў дадзены пераход. Абодва фатоны пры гэтым маюць аднолькавыя частату, фазу, напрамак распаўсюджвання, г. зн. вобразна кажучы, «клануюць» адзін аднаго. Менавіта таму індуцыраванае выпраменьванне набывае
ўласцівасць монахраматычнасці, кагерэнтнасці, накіраванасці.

Акрамя разгледжанага індуцыраванага пераходу «зверху ўніз», могуць адбывацца і вымушаныя пераходы «знізу ўверх» (мал. 203, б). Калі атам знаходзіцца на ніжнім узроўні E_n, то ён можа перайсці на верхні ўзровень E_m пад дзеяннем знешняга электрамагнітнага выпраменьвання частатой (1). Атам пры гэтым паглынае фатон, энергія якога 
Дыскрэтнасць энергетычнага спектру характэрна не толькі для атамаў, але і для любой сістэмы мікрачасціц, якія ўзаемадзейнічаюць, — малекул, іонаў, цвёрдых цел. Лік атамаў у адзінцы аб’ёму рэчыва, якія знаходзяцца на дадзеным энергетычным узроўні, называюць заселенасцю гэтага ўзроўню. У натуральных умовах (ва ўмовах цеплавой раўнавагі) у рэчыве лік атамаў N_m ва ўзбуджаным стане з большай энергіяй E_m меншы, чым лік атамаў N_n у стане з меншай энергіяй E_n, г. зн. пры E_m > E_n заселенасць узроўню E_m меншая, чым узроўню з энергіяй E_n (N_m < N_n) (мал. 204, а).

Для ўзмацнення выпраменьвання неабходна штучна змяніць за­селенасці ўзроўняў у рэчыве. Разгледзім два энергетычныя ўзроўні атама E_m і E_n. Калі пры падзенні на такое рэчыва электрамагнітнага выпраменьвання частатой  (1) дасягнуты нераўнаважны стан рэчыва, для якога на верхнім энергетычным узроўні знаходзіцца большая колькасць атамаў, чым на ніжнім (N_m > N_n) то выпраменьвацца будзе большы лік квантаў, чым паглынацца. У гэтым выпадку будзе адбывацца ўзмацненне падаючага выпраменьвання, і рэчыва будзе дзейнічаць як узмацняльнік.
Стан рэчыва, пры якім для некаторай пары ўзроўняў заселенасць верхняга большая, чым ніжняга, атрымаў назву стану з інверснай заселенасцю (мал. 204, б). Працэс стварэння інверснай заселенасці атрымаў назву напампоўкі. Рэчыва, у якім ажыццёўлена інверсія заселенасцей, называецца актыўным.
Для таго каб узмацняльнік ператварыць у генератар, неабходна ўвесці прыдатную «зваротную сувязь». Сэнс зваротнай сувязі заключаецца ў тым, што частка ўзмоцненага выпраменьвання застаецца ў актыўным рэчыве і падвяргаецца паўторнаму кагерэнтнаму ўзмацненню.
З’ява індуцыраванага выпраменьвання дазваляе кіраваць выпраменьваннем атамаў, узмацняць і генерыраваць кагерэнтнае выпраменьванне.
Асноўная цяжкасць у практычным ажыццяўленні дадзенай ідэі — стварэнне інверснай заселенасці. Савецкімі фізікамі Мікалаем Генадзьевічам Басавым і Аляксандрам Міхайлавічам Прохаравым у сярэдзіне 50-x гг. ХХ ст. быў прапанаваны ўніверсальны метад стварэння інверснай заселенасці пасродкам уздзеяння на малекулы знешняга электрамагнітнага выпраменьвання на рэзананснай частаце. Пасля ён атрымаў назву метаду трох узроўняў.

Рэчыва, у якім ёсць метастабільныя ўзроўні, можна эфектыўна выкарыстоўваць для ўзмацнення святла. Разгледзім, як была рэшана гэта праблема на прыкладзе трохузроўневай сістэмы. Агульны лік узроўняў у рэчыве заўсёды вялікі, але ў ім існуюць тры «працуючыя» энергетычныя ўзроўні, якія дазваляюць стварыць інверсію заселенасцей. У некаторых атамаў ёсць даўгавечныя прамежкавыя ўзбуджаныя станы (іх называюць метастабільнымі), час жыцця ў якіх можа даходзіць да некалькіх секунд, у той час як у звычайных узбуджаных станах час жыцця 
У гэтым выпадку, калі напампоўка робіцца на частаце пераходу паміж ніжнім і верхнім узроўнямі, то можна перавесці частку атамаў
з асноўнага 1 ва ўзбуджаны стан 3 (мал. 205). За кароткі час (час жыцця парадку c) большая частка гэтых атамаў самаадвольна пярой­дзе ў метастабільны даўгавечны ўзбуджаны стан 2 без выпраменьвання. Залішняя энергія перадаецца рэчыву, з прычыны чаго яно награваецца.
Заселенасць прамежкавага (мета­стабільнага) узроўню, па­вяліч­ваю­чыся за кошт спантанных пераходаў з верхняга ўзроўню на прамежкавы, можа перавысіць заселенасць ніжняга ўзроўню. Прапусціўшы выпраменьванне з частатой  праз гэту сістэму атамаў, якія знаходзяцца ў метастабільным стане, атрымліваем дадаткова да зыходных фатонаў яшчэ і індуцыравана выпушчаныя фатоны (гл. мал. 205). У выніку гэтага выніковы паток фатонаў будзе перавышаць зыходны. Такім чынам, на частаце пераходу з метастабільнага ўзроўню 2 на асноўны ўзровень 1 будзе адбывацца ўзмацненне і генерацыя выпраменьвання.