Курс физики (стр. 125 из 157)
Каждый фотон, случайно родившийся при спонтанных переходах, в принципе может инициировать (порождать) в активной среде множество вынужденных переходов 2→1, в результате чего появляется лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичных. Таким образом и зарождается лазерная генерация. Однако спонтанные переходы носят случайный характер, и спонтанно рождающиеся фотоны испускаются в разных направлениях. Тем самым в самых разных направлениях распространяются и лавины вторичных фотонов. Следовательно, излучение, состоящее из подобных лавин, не может обладать высокими когерентными свойствами.
Для выделения направления лазерной генерации используется принципи-
ально важный элемент лазера — оптический резонатор. В простейшем случае им служит пара обращенных друг к другу параллельных (или вогнутых) зеркал на общей оптической оси, между которыми помещается активная среда (кристалл или кювета с газом). Как правило, зеркала изготовляются так, что от одного из них излучение полностью отражается, а второе — полупрозрачно. Фотоны, движущиеся под углами к оси кристалла или кюветы, выходят из активной среды через ее боковую поверхность. Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси, многократно отразятся от противоположных торцов, каждый раз вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение, и т. д. Так как фотоны, возникшие при вынужденном излучении, движутся в том же направлении, что и первичные, то поток фотонов, параллельный оси кристалла или кюветы, будет лавинообразно нарастать. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пучок огромной яркости. Таким образом, оптический резонатор «выясняет» направление (вдоль оси) усиливаемого фотонного потока, формируя тем самым лазерное излучение с высокими когерентными свойствами. Первым газовым лазером непрерывного действия (1961) был лазер на смеси атомов неона и гелия. Газы обладают узкими линиями поглощения, лампы же излучают свет в широком интервале длин волн; следовательно, применять их в качестве накачки невыгодно, так как используется только часть мощности лампы. Поэтому в газовых лазерах инверсная населенность уровней осуществляется электрическим разрядом, возбуждаемым в газах.
В гелий-неоновом лазере накачка происходит в два этапа: гелий служит носителем энергии возбуждения, а неон дает лазерное излучение. Электроны, образующиеся в разряде, при столкновениях возбуждают атомы гелия, которые переходят в возбужденное состояние 3 (рис. 311).
Рис. 311
При столкновениях возбужденных атомов гелия с атома ми неона происходит их возбуждение и они переходят на один из верхних уровней неона, который расположен вблизи соответствующего уровня гелия. Переход атома неона с верхнего уровня 3 на один из нижних уровней 2 приводит к лазерному излучению с λ=0,6328 мкм.
Лазерное излучение обладает следующими свойствами:
1. Временная и пространственная когерентность (см. § 171). Время когерентности составляет 10 -3 с, что соответствует длине когерентности порядка 105 м (lког = сτког), т. е. на семь порядков выше, чем для обычных источников света.
2. Строгая монохроматичность (∆λ < 10-11 м).
3. Большая плотность потока энергии. Если, например, рубиновый стержень при накачке получил энергию W = 20 Дж и высветился за 10-3 с, то поток излучения Фе=20/10-3 Дж/с = 2⋅104 Вт. Фокусируя это излучение на площади 1 мм2, получим плотность потока энергии Фе/S = 2⋅104/10-6 Вт/м2 = 2⋅1010 Вт/м2.
4. Очень малое угловое расхождение в пучке. Например, при использовании специальной фокусировки луч лазера, направленный с Земли, дал бы на поверхности Луны световое пятно диаметром примерно 3 км (луч прожектора осветил бы поверхность диаметром примерно 40 000 км).
К.п.д. лазеров колеблется в широких пределах — от 0,01% (для гелийнеонового лазера) до 75% (для лазера на стекле с неодимом), хотя у большинства лазеров к.п.д. составляет 0,1—1%. Создан мощный СО2-лазер непрерывного действия, генерирующий инфракрасное излучение (λ = 10,6 мкм), к.п.д. которого (30%) превосходит к.п.д. существующих лазеров, работающих при комнатной температуре.
Необычные свойства лазерного излучения находят в настоящее время широкое применение.
Применение лазеров для обработки, резания и микросварки твердых материалов оказывается экономически более выгодным (например, пробивание калиброванных отверстий в алмазе лазерным лучом сократило время с 24 ч до 6—8 мин). Лазеры применяются для скоростного и точного обнаружения дефектов в изделиях, для тончайших операций (например, луч CO2-лазера в качестве бескровного хирургического ножа), для исследования механизма химических реакций и влияния на их ход, для получения сверхчистых веществ. Широко применяется лазерное разделение изотопов, например такого важного в энергетическом отношении элемента, как уран.
Одним из важных применений лазеров является получение и исследование высоко температурной плазмы. Эта область их применения связана с развитием нового направления — лазерного управляемого термоядерного синтеза.
Лазеры широко применяются в измерительной технике. Лазерные интерферометры (в них источником света служит лазер) используются для сверхточных дистанционных измерений линейных перемещений, коэффициентов преломления среды, давления, температуры. Например, рассмотренный выше гелий-неоновый лазер из-за излучения высокой стабильности, направленности и монохроматичности (полоса частот 1 Гц при частоте 1014 Гц) незаменим при юстировочных и нивелировочных работах.
Интересное применение лазеры нашли в голографии (см. § 184). Для создания систем голографической памяти с высокой степенью считывания и большой емкостью необходимы газовые лазеры видимого диапазона еще более высокой монохроматичности и направленности излучения.
Очень перспективны и интересны полупроводниковые лазеры, так как они обладают широким рабочим диапазоном (0,7—30 мкм) и возможностью плавной перестройки частоты их излучения.
Применения лазеров в настоящее время столь обширны, что даже их перечисление в объеме настоящего курса просто невозможно.
ЗАДАЧИ
29.1. Определить, сколько различных волновых функций соответствует главному квантовому числу n=5.125]
29.2. Построить и объяснить диаграмму, иллюстрирующую расщепление энергетических уровней и спектральных линий (с учетом правил отбора) при переходах между состояниями с l =2 и l =1. [d→р-переход].
29.3. Принимая, что уравнению Шредингера для 1s-состояния электрона в атоме водорода удовлетворяет функция Ψ = Ce-r/a (С — некоторая постоянная), показать, что a = ℏ24πε0/(me2), равная первому воровскому радиусу. Учесть, что 1s-состояние сферически-симметрично.
29.4. Электрон в атоме находится в f-состоянии. Определить: 1) момент импульса (орбитальный) Ll электрона; 2) максимальное значение проекции момента импульса Llzmaxна направление внешнего магнитного поля. [1) 3.46ℏ; 2)
Зℏ]
29.5. Заполненной электронной оболочке соответствует главное квантовое число n = 3. Определить число электронов в этой оболочке, которые имеют одинаковые следующие квантовые числа: 1) ms=1/2 и l = 2; 2) ms = 1/2 и ml = 0.
[1) 5; 2) 3]
29.6. Минимальная длина волны рентгеновского излучения, полученного от трубки, работающей при напряжении 50 кВ, равна 24,8 нм. Определить по этим данным постоянную Планка. [6,61⋅1034 Дж-с]
29.7. Определить самую длинноволновую линию K-серии характеристического рентгеновского спектра, если анод рентгеновской трубки изготовлен из платины. Постоянную экранирования принять равной единице. [20 пм]
ГЛАВА 30 ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ СТАТИСТИКИ
§ 234. КВАНТОВАЯ СТАТИСТИКА. ФАЗОВОЕ ПРОСТРАНСТВО.
ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
Квантовая статистика — раздел статистической физики, исследующий системы, которые состоят из огромного числа частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.
В отличие от исходных положений классической статистической физики, в которой тождественные частицы различимы (частицу можно отличить от всех таких же частиц), квантовая статистика основывается на принципе неразличимости тождественных частиц (см. § 226). При этом оказывается, как будет показано ниже, что коллективы частиц с целым и полуцелым спинами подчиняются разным статистикам.
Пусть система состоит из N частиц. Введем в рассмотрение многомерное пространство всех координат и импульсов частиц системы. Тогда состояние системы определяется заданием 6N переменных, так как состояние каждой частицы определяется трой кой координат х, у, z и тройкой соответствующих проекций импульса рх, ру, рz. Соответственно число «взаимно перпендикулярных» координатных осей данного про странства равно 6N. Это 6N-мерное пространство называется фазовым пространством. Каждому микросостоянию системы отвечает точка в 6N-мерном фазовом пространстве, так как задание точки фазового пространства означает задание координат и им пульсов всех частиц системы. Разобьем фазовое пространство на малые 6N-мерные элементарные ячейки объемом dqdp = dq1dq2 … dq3Ndp1dp2...dp3N, где q — совокупность координат всех частиц, р — совокупность проекций их импульсов. Корпускуляр-новолновой дуализм свойств вещества (см. § 213) и соотношение неопределенностей Гейзенберга (см. § 215) приводят к выводу, что объем элементарной ячейки (он называется фазовым объемом) не может быть меньше чем h3 (h — постоянная Планка).