Происхождение линейчатых спектров, спектральный анализ, спонтанное и вынужденное излучение, устройство и принцип действия лазера
Происхождение линейчатых спектров
Как отмечалось в статье о дисперсии света, разреженные атомарные газы дают линейчатый спектр — набор отдельных ярких линий на тёмном фоне. Постулаты Бора, рассмотренные в предыдущей статье, дают этому явлению исчерпывающее объяснение: поскольку энергия атома может принимать лишь дискретный набор значений E₁, E₂, E₃, …, атом способен испускать (или поглощать) фотоны только строго определённых частот, соответствующих разностям энергий стационарных состояний hν=E_n−E_m. Каждому возможному переходу между уровнями энергии соответствует своя спектральная линия — поэтому спектр испускания любого атома состоит из набора отдельных линий, а не является сплошным.
Индивидуальность атомных спектров
Поскольку набор энергетических уровней (а значит, и набор возможных частот переходов между ними) строго индивидуален для атомов каждого химического элемента — определяется зарядом ядра и числом электронов, — линейчатый спектр каждого элемента оказывается его уникальной «спектральной подписью», не совпадающей со спектром никакого другого элемента (подобно тому, как отпечатки пальцев уникальны для каждого человека). Именно на этом свойстве основан спектральный анализ — метод определения химического состава вещества по его спектру испускания или поглощения, широко используемый в химии, металлургии, геологии, криминалистике и, что особенно важно, в астрофизике для определения состава небесных тел, недоступных для непосредственного исследования.
Открытие гелия по спектральному анализу
Показательный исторический пример силы спектрального анализа — открытие химического элемента гелия: в 1868 году, исследуя спектр солнечной короны во время полного солнечного затмения, французский астроном Пьер Жансен и независимо английский астроном Норман Локьер обнаружили в спектре Солнца яркую жёлтую линию, не соответствующую спектру ни одного из известных на тот момент земных элементов. Это позволило предсказать существование нового химического элемента (названного гелием — от греческого «гелиос», Солнце) ещё до его обнаружения на Земле, что произошло лишь спустя почти 30 лет.
Спонтанное излучение
До сих пор рассматривался только один способ, которым возбуждённый атом теряет избыточную энергию, переходя на более низкий энергетический уровень, — спонтанное (самопроизвольное) излучение: возбуждённый атом самопроизвольно, без какого-либо внешнего воздействия, испускает фотон в случайный момент времени и в случайном направлении. Именно спонтанное излучение ответственно за свечение обычных источников света (ламп накаливания, газоразрядных ламп, свечей) — множество атомов излучают независимо друг от друга, в случайные моменты времени и в разных направлениях, поэтому свет обычных источников некогерентен (что, как отмечалось в статье об интерференции, делает невозможным наблюдение интерференции от двух независимых обычных источников).
Вынужденное излучение
В 1917 году Альберт Эйнштейн теоретически предсказал существование ещё одного механизма излучения атомом — вынужденного (индуцированного) излучения: если на возбуждённый атом (находящийся на более высоком энергетическом уровне) падает фотон, энергия которого в точности равна разности энергий уровней (то есть равна энергии фотона, который атом мог бы испустить спонтанно), этот фотон может «спровоцировать» преждевременный переход атома на нижний уровень с испусканием второго фотона. Принципиально важно, что вынужденно испущенный фотон оказывается точной копией фотона, вызвавшего излучение: он имеет ту же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения (см. рис. 1) — то есть вынужденное излучение когерентно с вызвавшим его излучением.
Принцип действия лазера
Явление вынужденного излучения лежит в основе работы лазера (название — аббревиатура английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, «усиление света посредством вынужденного излучения») — устройства, генерирующего узконаправленный, чрезвычайно интенсивный, строго монохроматический (одной частоты) и когерентный пучок света. Для работы лазера необходимо создать в рабочем веществе (активной среде) инверсную населённость — состояние, при котором на возбуждённом энергетическом уровне находится больше атомов, чем на более низком (нижнем рабочем) уровне — в отличие от обычного теплового равновесия, где, наоборот, на более низких уровнях всегда находится больше атомов. Инверсную населённость создают специальным способом — накачкой активной среды (мощной вспышкой света, электрическим разрядом или иным способом возбуждения атомов).
При наличии инверсной населённости случайно испущенный одним из атомов спонтанный фотон, пролетая через активную среду, вызывает вынужденное излучение у других возбуждённых атомов, порождая лавинообразно нарастающий поток идентичных (когерентных) фотонов — эту лавину усиливают многократные отражения света между двумя параллельными зеркалами резонатора, расположенными по краям активной среды (одно из зеркал делают частично прозрачным, чтобы часть усиленного света выходила наружу в виде лазерного луча).
Уникальные свойства лазерного излучения
Благодаря механизму вынужденного излучения лазерный свет обладает рядом уникальных свойств, недостижимых для обычных источников света: высокой когерентностью (все фотоны излучения находятся в строгой фазовой связи друг с другом, что позволяет наблюдать отчётливую интерференцию лазерного света без специальных ухищрений); высокой монохроматичностью (чрезвычайно узкий спектральный диапазон частот); малой расходимостью пучка (лазерный луч распространяется практически без расширения на большие расстояния); и возможностью достижения очень высокой концентрации энергии (мощности) в пучке малого поперечного сечения.
Применение лазеров
Уникальные свойства лазерного излучения обеспечили лазерам исключительно широкое практическое применение: в медицине (лазерная хирургия, коррекция зрения, косметология), в промышленности (высокоточная резка, сварка и гравировка материалов), в науке (высокоточные измерения расстояний, включая расстояние до Луны, спектроскопия, управляемый термоядерный синтез), в информационных технологиях (считывание и запись данных на оптических дисках, оптоволоконная связь на дальние расстояния), в быту (лазерные принтеры, сканеры штрих-кодов, лазерные указки) и в военном деле (системы наведения и дальнометрии).
Типичные ошибки
Частая ошибка — считать, что лазер «создаёт» энергию; в действительности лазер лишь эффективно преобразует энергию накачки (электрическую, световую и так далее) в энергию когерентного излучения, полностью подчиняясь закону сохранения энергии. Другая ошибка — путать спонтанное и вынужденное излучение, забывая ключевое различие: вынужденно испущенный фотон является точной когерентной копией фотона, вызвавшего его испускание, тогда как спонтанное излучение происходит случайно и некогерентно относительно излучения других атомов.
Краткий словарь терминов
Спектральный анализ — определение химического состава вещества по его линейчатому спектру.
Спонтанное излучение — самопроизвольное испускание фотона возбуждённым атомом в случайный момент и направление.
Вынужденное излучение — испускание атомом фотона, идентичного и когерентного вызвавшему его излучение фотону.
Инверсная населённость — состояние, при котором на возбуждённом уровне атомов больше, чем на нижнем.
Заключение
Линейчатые атомные спектры, объясняемые постулатами Бора, служат уникальной «подписью» химических элементов и лежат в основе спектрального анализа — от лабораторных исследований до изучения состава далёких звёзд. Явление вынужденного излучения, предсказанное Эйнштейном, легло в основу работы лазеров — источников когерентного, монохроматического и остронаправленного света, нашедших широчайшее применение в науке, технике и медицине. Этой статьёй завершается раздел квантовой физики цикла; в заключительном разделе рассматривается строение атомного ядра, радиоактивность и ядерные реакции — области физики, непосредственно опирающиеся на изученные в этом разделе квантовые представления.
