Какая наука описывает процессы поглощения и излучения
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
Какой наукой описываются процессы поглощения и излучения
Физика
Электродинамика
Магнитное поле
Механические колебания
Электромагнитные колебания
Механические волны
Электромагнитные волны
Оптика
Геометрическая оптика
Задачи на сферическое зеркало
Линза
Волновая оптика
Основы теории относительности
Основы квантовой физики
Излучения и спектры
Световые кванты
Атомная физика
Ядерная физика
Физика элементарных частиц
Открытие позитрона. Античастицы
Современная физическая картина мира
Современная физическая картина мира
Строение Вселенной
Строение Вселенной
Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд
Какой наукой описываются процессы поглощения и излучения
Лазеры или оптические квантовые генераторы – это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 10 12 –10 13 Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных экспериментах, в химии, просто в быту и т. д. Хотя первый оптический квантовый генератор был построен сравнительно недавно (1960 г.), современную жизнь уже невозможно представить без лазеров.
Одним из важнейших свойств лазерного излучения является чрезвычайно высокая степень его монохроматичности, недостижимая в излучении нелазерных источников. Это и все другие уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.
Чтобы понять принцип работы лазера, нужно более внимательно изучить процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями , и т. д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом в отсутствие внешних возмущений может находиться бесконечно долго, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны. Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка , после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным . На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка . Такие уровни называются метастабильными .
Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.
Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными .
Теперь самое главное. В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным . Вынужденное излучение обладает удивительным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца.
Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.
На рис. 6.4.1 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта света.
Рассмотрим слой прозрачного вещества, атомы которого могут находиться в состояниях с энергиями и . Пусть в этом слое распространяется излучение резонансной частоты перехода . Согласно распределению Больцмана, при термодинамическом равновесии большее количество атомов вещества будет находиться в нижнем энергетическом состоянии. Некоторая часть атомов будет находиться и в верхнем энергетическом состоянии, получая необходимую энергию при столкновениях с другими атомами. Обозначим населенности нижнего и верхнего уровней соответственно через и . При распространении резонансного излучения в такой среде будут происходить все три процесса, изображенные на рис. 6.4.1. Эйнштейн показал, что процесс (a) поглощения фотона невозбужденным атомом и процесс (c) индуцированного испускания кванта возбужденным атомом имеют одинаковые вероятности. Так как поглощение фотонов будет происходить чаще, чем индуцированное испускание. В результате прошедшее через слой вещества излучение будет ослабляться. Это напоминает появление темных фраунгоферовских линий в спектре солнечного излучения. Излучение, возникающее в результате спонтанных переходов, некогерентно, распространяется во всевозможных направлениях и не дает вклада в проходящую волну.
Чтобы проходящая через слой вещества волна усиливалась, нужно искусственно создать условия, при которых , т. е. создать инверсную населенность уровней . Такая среда является термодинамически неравновесной. Идея использования неравновесных сред для получения оптического усиления впервые была высказана В. А. Фабрикантом в 1940 году. В 1954 году русские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский ученый Ч. Таунс использовали явление индуцированного испускания для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны . За разработку нового принципа усиления и генерации радиоволн в 1964 году все трое были удостоены Нобелевской премии.
Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной . Она может служить резонансным усилителем светового сигнала. Для того, чтобы возникала генерация света, необходимо использовать обратную связь . Для этого активную среду нужно расположить между двумя высококачественными зеркалами, отражающими свет строго назад так, чтобы он многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Этот процесс в лазерной физике принято называть накачкой .
Начало лавинообразному процессу в такой системе при определенных условиях может положить случайный спонтанный акт, при котором возникает излучение, направленное вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает стационарный режим генерации. Это и есть лазер. Лазерное излучение выводится наружу через одно (или оба) из зеркал, обладающее частичной прозрачностью. На рис. 6.4.2 схематически представлено развитие лавинообразного процесса в лазере.
Существуют различные способы получения среды с инверсной населенностью уровней. В рубиновом лазере используется оптическая накачка, атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но для этого недостаточно только двух уровней. Каким бы мощным не был свет лампы–накачки, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. В рубиновом лазере накачка производится через выше расположенный третий уровень (рис. 6.4.3).
После вспышки мощной лампы, расположенной рядом с рубиновым стержнем, многие атомы хрома, входящего в виде примеси в кристалл рубина (около 0,05 %), переходят в состояние с энергией , а через промежуток они переходят в состояние с энергией . Перенаселенность возбужденного уровня по сравнению с невозбужденным уровнем возникает из-за относительно большого времени жизни уровня .
Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе. Исторически это был первый действующий лазер, построенный американским физиком Т. Майманом в 1960 г.
Одним из самых распространенных в настоящее время является газовый лазер на смеси гелия и неона. Общее давление в смеси составляет порядка при соотношении компонент He и Ne примерно . Активным газом, на котором в непрерывном режиме возникает генерация на длине волны (ярко-красный свет), является неон. Гелий – буферный газ, он участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней неона. Излучение He–Ne лазера обладает исключительной, непревзойденной монохроматичностью. Расчеты показывают, что спектральная ширина линии генерации He–Ne лазера составляет примерно . Это фантастически малая величина. Время когерентности такого излучения оказывается порядка , а длина когерентности , т. е. больше диаметра земной орбиты!
На практике многие технические причины мешают реализовать столь узкую спектральную линию He–Ne лазера. Путем тщательной стабилизации всех параметров лазерной установки удается достичь относительной ширины порядка , что примерно на 3–4 порядка хуже теоретического предела. Но и реально достигнутая монохроматичность излучения He–Ne лазера делает этот прибор совершенно незаменимым при решении многих научных и технических задач. Первый гелий-неоновый лазер был создан в 1961 году. На рис. 6.4.4 представлена упрощенная схема уровней гелия и неона и механизм создания инверсной населенности лазерного перехода.
Накачка лазерного перехода в неоне осуществляется следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в верхнее метастабильное состояния . Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. Уровень неона расположен на 0,05 эВ выше метастабильного уровня гелия. Недостаток энергии компенсируется за счет кинетической энергии соударяющихся атомов. На уровне неона возникает инверсная населенность по отношению к уровню , который сильно обедняется за счет спонтанных переходов на ниже расположенные уровни. При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов. Если кювета со смесью газов помещена между высокоотражающими зеркалами, то возникает лазерная генерация. На рис. 6.4.5 изображена схема гелий-неонового лазера.
Современные высокостабильные гелий-неоновые лазеры производятся в моноблочном исполнении. Для этого используется стеклообразное вещество – ситалл, обладающий практически нулевым температурным коэффициентом расширения. В куске ситалла в форме прямоугольного параллелепипеда просверливается канал, к торцам которого на оптическом контакте приклеиваются лазерные зеркала. Канал заполняется смесью гелия и неона. Катод и анод вводятся через дополнительные боковые каналы. Такая моноблочная конструкция обеспечивает высокую механическую и тепловую стабильность.
Спектры излучения и поглощения
В § 29 мы говорили о том, что электромагнитное излучение представляет собой широкий спектр колебаний, которые различаются частотой и, следовательно, длиной волны. Напомним, что для того, чтобы вычислить частоту, зная длину волны, надо разделить скорость распространения волны на эту длину. Так что чем больше частота излучения, тем короче его длина волны. Теперь мы также знаем, что энергия электромагнитного излучения прямо пропорциональна его частоте, т. е. обратно пропорциональна длине его волны. Излучение, длина волны которого лежит на участке от 380 до 780 нм, воспринимается человеческим глазом и называется видимой частью излучения или просто видимым светом. От длины волны видимого света зависит его цвет. Излучение, в котором все части спектра представлены в равном соотношении, воспринимается как белый свет. Таким, например, является солнечное излучение[10].
Впервые на то, что солнечный свет можно разложить на составляющие его различно окрашенные лучи, обратил внимание Ньютон. Разумеется, и до него люди наблюдали на небе радугу, которая почему– то появлялась обычно после дождя, любовались игрой света в драгоценных камнях и т. д., но причину этого явления никто объяснить не мог. Решающее открытие было сделано Ньютоном следующим образом. Свет от Солнца или от фонаря пропускают через узкую щель, а затем с помощью линзы фокусируют на белом экране, где образуется короткий белый прямоугольник. Если на пути луча света поместить стеклянную призму, то этот прямоугольник сместится и превратится в окрашенную полоску, где постепенные переходы цветов от красного до фиолетового совпадают с теми, которые можно наблюдать в радуге (рис. 109). Ньютон знал, что, проходя через призму, лучи света испытывают преломление, т. е. меняют угол направления своего движения. Теперь оказалось, что лучи разного цвета меняют этот угол по– разному. На основании этого наблюдения Ньютон сделал вывод, что лучи разного цвета преломляются призмой неодинаково.
Рис. 109. Дисперсия света на призме
Обнаруженное им радужное изображение он назвал спектром (от лат. spektrum – видение), а само явление разложения света на различные цветовые составляющие – дисперсией. Таким образом, оказалось, что белый свет представляет собой смесь различных цветов. Эксперименты и выводы Ньютона опровергли распространённое до этого времени мнение о том, что цвет является свойством окрашенных предметов, т. е. цвет приобретает окраску при столкновении с цветными поверхностями. Но если это так, то от чего зависит цвет всех предметов, которые находятся вокруг нас и окраска которых является их естественным свойством?
Возьмём какой-нибудь прозрачный окрашенный предмет, например цветное стекло или пластик. Положим его на стол и посмотрим на него в падающем сверху свете. Допустим, что его цвет будет синим. Это значит, что те лучи, которые он от себя отражает и которые после этого попадают в наш глаз, будут синими, т. е. в глаза попадает излучение, имеющее такую длину волны, которая воспринимается человеком как синий цвет. Теперь посмотрим через этот прозрачный предмет на свет. Мы убедимся, что всё, что мы видим, станет тоже синим. А это означает, что наше стекло пропускает через себя только синее излучение. Можно проделать наблюдения с прозрачными предметами любого цвета и убедиться в том, что во всех случаях они будут отражать и пропускать одно и то же излучение. Это значит, что предмет данного цвета выбирает для отражения и пропускания только небольшую часть из всего спектра белого света. Что происходит с остальной частью спектра? Она поглощается окрашенным предметом.
Если мы имеем дело с непрозрачным предметом, то он не пропускает никакого света, а может только отражать и поглощать. Белый предмет отражает весь видимый спектр, потому он и выглядит как белый. Чёрный же не отражает никакого света – все падающие на него лучи он поглощает. Поэтому от него в наш глаз не попадает никакого излучения, что воспринимается как чернота. Именно по этой причине люди в жару стараются носить белую или светлую одежду, в наибольшей степени отражающую солнечные лучи, тогда как одежда чёрного цвета большинство лучей поглощает и от этого нагревается. Всё же цветные предметы поглощают свет избирательно, в определённых областях видимого спектра, а все остальные падающие на них волны, отражают. Этот отражённый свет и попадает нам в глаза, вызывая ощущение определённого цвета. Соответственно, сочетание всех волн, которые поглощаются веществом, образует его спектр поглощения, а тех, которые им отражаются, – спектр отражения. Таким же образом для прозрачных тел можно определить спектр пропускания , который, как мы уже сказали, в основном совпадает со спектром отражения.
Но для того чтобы что-то могло поглотить или отразить свет, этот свет должен откуда-то прийти. Другими словами, всякий свет должен иметь источник. Таким источником может быть Солнце, Луна, звёзды, электрическая лампа, свеча и многое другое.
Рис. 110. Непрерывный (А) и линейчатый (Б) спектры
Свет, испускаемый этим источником, иногда может быть белым, как свет Солнца, а иногда в нём будут преобладать волны с какой-то определённой длиной. Так, свет лампочки накаливания является почти белым, но с некоторым преимуществом жёлтой части спектра, а цвет огня в печи или костре имеет хорошо выраженную красную составляющую. В то время, когда не было цветных телевизоров, изображение на экранах называлось чёрно-белым, однако «белый» фон был не совсем таким, в нём явно просматривался голубой оттенок. Отсюда и названия передач старого телевидения, например «Голубой огонёк». Совокупность волн всех частот, испускаемых данным источником света, называют его спектром испускания.
Для изучения спектров, испускаемых различными источниками, применяют приборы, называемые спектрометрами. Если направить спектрометр на Солнце или электрическую лампу накаливания, можно увидеть полосу, в которой представлены все цвета спектра, плавно переходящие друг в друга. Такой спектр называют сплошным или непрерывным (рис. 110, А). Другой вид имеют спектры, испускаемые светящимися газами. Они состоят из чётко разграниченных линий. Каждая линия чётко отграничена от соседних линий чёрными полосами и представляет собой узкий интервал, в котором содержится излучение, которое соответствует определённой длине волны. Такой спектр принято называть линейчатым или прерывистым (рис. 110, Б). С помощью спектрометра можно исследовать как спектры испускания, так и спектры поглощения.
Первым исследователем, обратившим внимание на спектральные линии, был Йозеф Фраунгофер (1787–1826). В его честь эти линии были названы фраунгоферовыми линиями. В 1850 г. Густав Кирхгоф (1824–1887) и Роберт Бунзен (1811–1899) пришли к выводу, что каждый химический элемент имеет свой уникальный линейчатый спектр и, в частности, по спектру небесных светил можно определить их химический состав. В результате их исследований в науке появился новый метод, называемый спектральным анализом, с помощью которого можно определять состав веществ даже на больших расстояниях. С помощью этого метода инертный газ гелий был открыт на Солнце почти на тридцать лет раньше, чем на Земле, и именно в честь Солнца получил своё название.