Состояние вещества, при котором для некоторой пары уровней населённость верхнего уровня больше, чем нижнего, получило название состояния с инверсной населённостью.
ЛАЗЕРЫ
Из второго постулата Бора следует, что энергия атома квантована, то есть имеет дискретный ряд значений энергии. Состояние атома, которому соответствует наименьшая энергия, называется основным. А состояния, которым соответствуют большие значения энергии, — возбуждёнными. Электроны в атоме могут находиться в одном из состояний, определяемых этими уровнями энергии. Вследствие этого при переходах электронов с одного уровня на другой атом излучает или поглощает кванты энергии электромагнитного поля.
Существуют два вида переходов: спонтанные и вынужденные.
Если электрон в атоме, находящийся в возбуждённом состоянии на верхнем энергетическом уровне, переходит на более низкий уровень самопроизвольно без каких-либо внешних воздействий, то происходит так называемый спонтанный переход. При таком переходе излучается фотон, частота которого определяется вторым постулатом Бора:
Переход такого рода является случайным процессом, происходящим в принципиально непредсказуемый момент времени. Этим переходам соответствует спонтанное излучение. Такие процессы происходят в нагретых телах и светящихся газах. При нагревании или электрическом разряде часть атомов переходит в возбуждённое состояние. Затем они излучают свет, переходя в основное состояние.
Случайность спонтанных переходов электронов в атомах и молекулах различных веществ означает то, что они происходят неодновременно и независимо друг от друга. Поэтому фазы излучаемых при переходах электромагнитных волн не согласованны. Вследствие этого, спонтанное излучение вещества ненаправленно, некогерентно и неполяризованно.
|
|
|
Переход атома из одного состояния в другое может происходить также и безызлучательным путём. В этом случае избыток энергии выделяется в какой-либо иной форме. Например, он может перейти в кинетическую энергию окружающих молекул.
А теперь самое главное. В тысяча девятьсот шестнадцатом (1916) году Альберт 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 он назвал вынужденным или индуцированным.
Вынужденное излучение обладает удивительным свойством, которое резко отличает его от спонтанного излучения. Дело в том, что в результате взаимодействия возбуждённого атома с фотоном атом испускает ещё один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении, то есть, образно говоря, фотоны «клонируют» друг друга. Именно поэтому индуцированное излучение приобретает свойства монохроматичности, когерентности и направленности.
|
|
|
Важнейшей характеристикой любого квантового перехода является вероятность перехода, которая определяет, как часто происходит данный квантовый переход. Она прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения, в то время как вероятность спонтанного перехода постоянна для данной пары энергетических уровней.
Число атомов, электроны которых находятся на данном энергетическом уровне в единице объёма вещества, называют населённостью этого уровня.
В естественных условиях (в условиях теплового равновесия) в веществе число атомов в возбуждённом состоянии с бо́льшей энергией меньше, чем число атомов, в состоянии с меньшей энергией.
Ещё в 1940 году русский физик Валентин Александрович Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн путём искусственного изменения населённости уровней в веществе.
Рассмотрим два энергетических уровня атома. Если при падении на такое вещество электромагнитного излучения частотой vmn достигнуто неравновесное состояние вещества, для которого на верхнем энергетическом уровне находится большее количество электронов в атоме, чем на нижнем, то излучаться будет большее число квантов, чем поглощаться. В этом случае будет происходить усиление падающего излучения, и вещество будет действовать как усилитель.
Состояние вещества, при котором для некоторой пары уровней населённость верхнего уровня больше, чем нижнего, получило название состояния с инверсной населённостью.
Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 26; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!