A. Излучение

Спонтанное и вынужденное излучение

Атом, находящийся в возбужденном состоянии, самопроизвольно переходит в основное состояние или на более низкий энергетический уровень.

Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе из одного состояния в другое, называется спонтанным излучением. Спонтанное излучение различных атомов происходит индивидуально, так как каждый атом начинает и заканчивает излучение независимо от других.

В 1916 г. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний и сопровождающее этот акт излучение могут происходить также под влиянием внешнего электромагнитного поля. Такое излучение называют вынужденным, или индуцированным.

Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при совпадении частоты электромагнитного поля с собственной частотой излучения возбужденного атома. В результате взаимодействия возбужденного атома, готового испустить фотон с энергией \(~h\nu = W_2 - W_1,\) с фотоном \(~h\nu,\) вынуждающим этот переход, получаются два совершенно одинаковых по энергии и направлению движения фотона-близнеца (рис. 20.10). Пролетающий фотон как бы "стряхивает" с возбужденного атома подобный себе фотон, не затрачивая на это энергию. С точки зрения волновой теории атом излучает электромагнитную волну, совершенно одинаковую по направлению распространения, частоте, фазе и поляризации с той, которая вынудила атом излучать. В итоге получается результирующая волна с амплитудой большей, чем у падающей. Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно.

Рис. 20.10

При хаотическом тепловом движении распределение энергии среди атомов неравномерно. Некоторая часть атомов возбуждена, что соответствует их нахождению на более высоких, чем основной, уровнях энергии. В условиях теплового равновесия и при отсутствии внешнего электромагнитного поля большая часть атомов находится в невозбужденном состоянии. Образно говоря, населенность верхних уровней меньше населенности нижних.

Под влиянием внешних воздействий — повышения температуры, освещения, бомбардировки быстрыми частицами — доля возбужденных атомов возрастает, т.е. населенность верхних уровней увеличивается.

Казалось бы, по мере повышения температуры можно получить такое распределение частиц по уровням, при котором населенность верхних уровней больше, чем нижних. Но это не так. Ведь возбужденное состояние неустойчиво. По мере увеличения заселенности верхних уровней увеличивается вероятность спонтанных переходов, сопровождаемых излучением.

В 1939 г. В. А. Фабрикант высказал предположение о возможности создания такого распределения частиц по энергиям, при котором число возбужденных атомов больше числа атомов, находящихся в основном состоянии. Такое состояние называют состоянием с инверсной заселенностью уровней. Ему присущи особые свойства.

При распространении света в веществе обычно наблюдается поглощение света. Это происходит потому, что в состоянии термодинамического равновесия число невозбужденных атомов в веществе много больше, чем число возбужденных, и, следовательно, фотоны чаще взаимодействуют с невозбужденными атомами, т.е. поглощаются веществом.

В веществе же с инверсной населенностью уровней число возбужденных атомов больше числа невозбужденных. При этом уменьшается вероятность встречи фотонов с невозбужденным атомом, т.е. уменьшается вероятность поглощения фотонов. Вещество становится более прозрачным или даже способным усиливать свет. Действительно, если в нем движется фотон, энергия которого в точности равна разности энергий атомов в состояниях W₂ и W₁ то, взаимодействуя с возбужденным атомом, такой фотон вызовет индуцированное излучение. В результате появится второй такой же фотон. Взаимодействуя с другими двумя возбужденными атомами, эти два фотона вызовут "высвечивание" еще двух атомов. В конечном счете вместо одного фотона из вещества выйдет много фотонов, т.е. будет иметь место усиление света.

Среда называется активной, если в ней число индуцированных фотонов превышает число поглощенных.

Создать инверсную населенность в системе, состоящей из двух энергетических уровней путем длительного освещения вещества мощным световым импульсом, невозможно. Во-первых, с увеличением концентрации частиц на верхнем уровне возрастает вероятность спонтанных переходов; во-вторых, возбуждающее излучение вызывает индуцированное излучение, переводящее частицы на нижний уровень.

Иные возможности открываются при использовании веществ, среди энергетических состояний которых имеются такие возбужденные состояния, в которых атомы могут находиться значительно дольше, чем 10^-8 с. Такие состояния и соответствующие им уровни энергии называют метастабильными.

Пусть уровень 2 с энергией W₂ (рис. 20.11, а) метастабильный, характеризуемый "временем жизни" в 1000 раз больше, чем "время жизни" уровня 3 W₃ (\(~\tau \sim 10^{-8}\) с).

Рис. 20.11

При наличии уровня 2 возможны спонтанные переходы из состояния 3 не только в основное состояние 2, но и на метастабильный уровень 2. Оба перехода сопровождаются излучением электронов соответствующей энергии:

\(~h \nu_{31} = W_3 - W_1,\) \(~h \nu_{32} = W_3 - W_2.\)

Большое различие во временах жизни в состояниях 3 и 2 приводит к тому, что под действием возбуждающего фотона с энергией \(~h \nu_{31} \ge W_3 - W_1,\) атомы переходят сначала в состояние 3, а затем, излучая фотон с энергией \(~h \nu_{32} \ge W_3 - W_2,\) — в состояние 2. В результате происходит накопление атомов в метастабильном состоянии 2. Со временем их число оказывается большим числа атомов в основном состоянии 1. Значит, в веществе с такой системой уровней действием возбуждающего излучения \(~h \nu_{31} \ge W_3 - W_1,\) может быть создана инверсная населенность уровней.

Если направить в предварительно подготовленное таким образом вещество квант электромагнитного излучения \(~h \nu_{21} \ge W_2 - W_1,\) то вследствие явления индуцированного излучения произойдет усиление света, что условно и показано на рис. 20.11, б. Число фотонов увеличивается в геометрической прогрессии. На выходе усилителя света фотонов больше, чем на входе.

Система атомов с инверсной населенностью уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение. Для работы в режиме генератора необходима положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода устройства подается на его вход. Для этого активная среда, в которой создается инверсная населенность уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал.

В результате одного из спонтанных переходов атомов с метастабильного уровня на основной возникает фотон с энергией \(~h \nu_{21} \ge W_2 - W_1.\) При движении в сторону одного из зеркал этот фотон вызывает индуцированное излучение и к зеркалу подходит целая лавина фотонов с энергией \(~h\nu_{21}\) каждый. После отражения от зеркала лавина фотонов движется в противоположном направлении, попутно заставляя высвечиваться с метастабильного уровня возбужденные атомы, оставшиеся в этом состоянии.

Рассмотренный принцип усиления и генерации электромагнитного излучения был предложен советскими физиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и одновременно американским физиком Ч. Таунсом.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 583-586.