Пособие по физике, охватывающее всю школьную программу и, соответственно, все темы кодификатора егэ по физике
 Скачать 4.03 Mb.
|
Глядя на спектры испускания и поглощения, физики XIX века пришли к выводу, что атом не является неделимой частицей и обладает некоторой внутренней структурой. В самом де- ле, что-то ведь внутри атома должно обеспечивать механизм излучения и поглощения света! 8 Изображение с сайта www.nt.ntnu.no 431 Кроме того, уникальность атомных спектров говорит о том, что этот механизм различен у ато- мов разных химических элементов; стало быть, атомы разных химических элементов должны отличаться по своему внутреннему устройству. Строению атома будет посвящён следующий раздел. 6.4.3 Спектральный анализ Использование линейчатых спектров в качестве уникальных «паспортов» химических элемен- тов лежит в основе спектрального анализа — метода исследования химического состава веще- ства по его спектру. Идея спектрального анализа проста: спектр излучения исследуемого вещества сопоставля- ется с эталонными спектрами химических элементов, после чего делается вывод о присутствии или отсутствии того или иного химического элемента в данном веществе. При определённых условиях методом спектрального анализа можно определить химический состав не только ка- чественно, но и количественно. В результате наблюдения различных спектров были открыты новые химические элементы. Первыми из таких элементов были цезий и рубидий; они получили название по цвету линий своего спектра 9 В 1868 году в спектре Солнца были обнаружены линии, не соответствующие ни одному из известных химических элементов. Новый элемент был назван гелием (от греческого гелиос — солнце). Впоследствии гелий был обнаружен в атмосфере Земли. Вообще, спектральный анализ излучения Солнца и звёзд показал, что все входящие в их состав входят элементы имеются и на Земле. Таким образом, оказалось, что все объекты Все- ленной собраны из одного и того же «набора кирпичиков». 9 В спектре цезия наиболее выражены две линии небесно-синего цвета, по-латыни называемого caesius. Руби- дий же даёт две характерные линии рубинового цвета. 432 6.5 Строение атома Атомы каждого химического элемента имеют строго индивидуальный линейчатый спектр, при- сущий только данному элементу и не меняющийся от опыта к опыту. Как это можно объяснить? Как вывести формулу, дающую весь набор частот атомного спектра? Чтобы сделать это, нужно узнать, как устроен атом. 6.5.1 Модель Томсона Первую модель строения атома придумал английский физик Джозеф Джон Томсон (удостоен- ный Нобелевской премии за открытие электрона). В конечном счёте она оказалась неверной, но сыграла важную роль, будучи стимулом последующих экспериментальных исследований Резерфорда. Физики называли модель Томсона «пудинг с изюмом». Согласно Томсону атом представляет собой шар размером порядка 10 −8 см. По этому шару некоторым образом распределён положительный заряд, а внутри шара, подобно изюминкам, находятся электроны (рис. 6.9 ). + + + + + + + e e e e Рис. 6.9. Модель атома Томсона Суммарный заряд электронов в точности равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом электрически нейтрален. Излучение атомов объясняется колебаниями электронов около положений равновесия (как вы помните, любой ускоренно движущийся заряд излучает электромагнитные волны). Однако вся совокупность экспериментальных данных по атомным спектрам не укладывалась в модель Томсона. Например, были подобраны формулы, хорошо описывающие спектр излучения атома водорода, но эти формулы из модели Томсона никак не следовали. 6.5.2 Опыты Резерфорда Верна ли модель Томсона? Как в действительности распределены положительные и отрица- тельные заряды внутри атома? Чтобы ответить на эти вопросы, нужен был эксперимент, поз- воляющий проникнуть внутрь атома. Ученик Томсона, знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд предложил с этой целью бомбардировать атом высокоэнергетичными α-частицами и смотреть, как они будут отклоняться положительным зарядом атома. Что такое α-частицы? Потоки этих частиц — так называемые «альфа-лучи» — были об- наружены при радиоактивном распаде некоторых элементов (например, радия). В результате тщательных исследований, проведённых опять-таки Резерфордом, было установлено, что каж- дая α-частица имеет положительный заряд, равный по модулю удвоенному заряду электрона, и массу, превышающую массу электрона примерно в 8000 раз. То есть, α-частица оказалась полностью ионизованным (лишённым электронов) атомом гелия. Резерфорд говорил об α-частицах как об ионах гелия; сейчас мы знаем, что это ядра гелия. Но в те времена об атомных ядрах ещё ничего не знали — о них Резерфорду лишь предстояло догадаться, глядя на результаты своих знаменитых опытов! 433 Энергия α-частиц очень велика — достаточно сказать, что скорость их вылета из радиоак- тивного образца составляет примерно 1/15 скорости света. Поэтому интересно было выяснить, на какие углы будут отклоняться столь мощные «снаряды» при рассеянии на отдельных ато- мах, а точнее — на их положительных зарядах. Пучок α-частиц направлялся на тончайшую золотую фольгу. Как гласит история, Резер- форд не сомневался в том, что углы отклонения должны быть весьма малы: имея столь огром- ную энергию, α-частицы должны проходить сквозь фольгу как нож сквозь масло. Только «для очистки совести», на всякий случай, он попросил учеников посмотреть, не возникает ли рассе- яния α-частиц на большие углы. Каково же было всеобщее удивление, когда такие частицы обнаружились! Действительно, как и следовало ожидать, подавляющая доля α-частиц отклонялась несущественно. Но совсем небольшая их часть (примерно одна частица из нескольких тысяч) отклонялась на угол, боль- ший 90 ◦ (рис. 6.10 ). Au α α α Рис. 6.10. Рассеяние α-частиц на атомах Эти отклонения казались совершенно невероятными. По словам Резерфорда, дело выглядело так, словно артиллерийский снаряд налетел на кусок бумаги и от удара повернул назад. А «бумагой» в образном сравнении Резерфорда служил атом, устроенный согласно модели Томсона. Действительно, допустим, что положительный заряд атома q «размазан» по всему атому, то есть шару радиусом R ∼ 10 −8 см. Этот положительный заряд создаёт электрическое поле, тормозящее и отклоняющее α-частицы. Вблизи атома потенциал данного поля: ϕ ∼ kq R Расчёты, однако, показывают, что такое поле оказывается слишком слабым — его тормозящего действия никак не хватит для того, чтобы остановить α-частицу и отбросить её назад! Таким образом, наличие α-частиц, отброшенных фольгой, опровергло модель Томсона. Что же было предложено взамен? 6.5.3 Планетарная модель атома Чтобы отбросить α-частицу, положительный заряд атома должен создавать куда более сильное электрическое поле, чем то, которое получается в модели Томсона. А чтобы создать такое поле, положительный заряд должен быть сосредоточен в области, гораздо меньшей размера атома. Размер этой области можно вычислить. Если положительный заряд q занимает область размером r, то вблизи заряда создаётся электрическое поле с потенциалом ϕ ∼ kq r Зная кинетическую энергию α-частицы, можно найти величину тормозящего потенциала ϕ, а затем и размер r положительно заряженной области. Вычисления, проведённые Резерфордом, 434 дали следующий результат: r ∼ 10 −13 см. Эта величина на пять порядков (в сто тысяч раз!) меньше размера атома. Так на смену модели Томсона пришла планетарная модель атома (рис. 6.11 ). e e e + Рис. 6.11. Планетарная модель атома В центре атома находится крошечное положительно заряженное ядро, вокруг которого, слов- но планеты вокруг Солнца, движутся электроны. Между ядром и электронами действуют силы кулоновского притяжения, но упасть на ядро электроны не могут за счёт своего движения — точно так же, как и планеты не падают на Солнце, хоть и притягиваются к нему. Заряд ядра по модулю равен суммарному заряду электронов, так что атом в целом элек- трически нейтрален. Однако электроны могут быть выбиты из своих орбит и покинуть атом — тогда атом превращается в положительно заряженный ион. Масса электронов составляет очень малую часть общей массы атома. Например, в атоме водорода всего один электрон, и его масса в 1836 раз меньше массы ядра. Следовательно, почти вся масса атома сосредоточена в ядре — и это при том, что ядро в сто тысяч раз меньше самого атома. Чтобы лучше почувствовать соотношение масштабов атома и ядра, представьте себе, что атом стал размером с Останкинскую телебашню (500 м). Тогда ядро окажется горошиной раз- мером 5 мм, лежащей у вас на ладони. И тем не менее, почти вся масса атома заключена в этой горошине! Вот таким удивительным объектом оказался атом. Однако планетарная модель атома, объ- яснив результаты опытов Резерфорда по рассеянию α-частиц, стала лишь первым шагом на пути к пониманию внутриатомных процессов. А именно, планетарная модель приводила к од- ному серьёзному противоречию, и преодоление этого противоречия Нильсом Бором положило начало физике атома. Читаем следующий раздел! 435 6.6 Атом Бора Планетарная модель атома, успешно истолковав результаты опытов по рассеянию α-частиц, в свою очередь столкнулась с очень серьёзными трудностями. Как мы знаем, любой заряд, движущийся с ускорением, излучает электромагнитные волны. Это — неоспоримый факт классической электродинамики Максвелла, подтверждаемый много- численными наблюдениями. Нам также хорошо известно, что электромагнитные волны несут энергию. Стало быть, уско- ренно движущийся заряд, излучая, теряет энергию, которая этим излучением уносится. А теперь давайте возьмём произвольный электрон в планетарной модели. Он двигается во- круг ядра, так что направление его скорости постоянно меняется. Следовательно, электрон всё время имеет некоторое ускорение (например, при равномерном движении по окружности это будет центростремительное ускорение), и поэтому должен непрерывно излучать электромаг- нитные волны. Расходуя свою энергию на излучение, электрон будет постепенно приближаться к ядру; в конце концов, исчерпав запас своей энергии полностью, электрон упадёт на ядро. Если исходить из того, что механика Ньютона и электродинамика Максвелла работают внутри атома, и провести соответствующие вычисления, то получается весьма озадачивающий результат: расход энергии электрона на излучение (с последующим падением электрона на ядро) потребует совсем малого времени — порядка 10 −8 секунды. За это время атом должен полностью «коллапсировать» и прекратить своё существование. Таким образом, классическая физика предрекает неустойчивость атомов, устроенных со- гласно планетарной модели. Этот вывод находится в глубоком противоречии с опытом: ведь на самом деле ничего такого не наблюдается. Предметы нашего мира вполне устойчивы и не кол- лапсируют на глазах! Атом может сколь угодно долго пребывать в невозбуждённом состоянии, не излучая при этом электромагнитные волны. 6.6.1 Постулаты Бора Оставалось признать, что внутри атомов перестают действовать известные законы классиче- ской физики. Микромир подчиняется совсем другим законам. Первый прорыв в познании законов микромира принадлежит великому датскому физику Нильсу Бору. Он предложил три постулата 10 , резко расходящиеся с механикой и электродина- микой, но тем не менее позволяющих правильно описать простейший из атомов — атом водо- рода. Классическая физика хорошо описывает непрерывные процессы — движение материальной точки, изменение состояния идеального газа, распространение электромагнитных волн. . . Энер- гия объекта, подчиняющегося механике или электродинамике, в принципе может принимать любые значения. Однако линейчатые спектры указывают на дискретность процессов, проис- ходящих внутри атомов. Эта дискретность должна фигурировать в законах новой теории. Первый постулат Бора. Всякий атом (и вообще, всякая атомная система) может находиться не во всех состояниях с любым, наперёд заданным значением энергии. Возможен лишь дис- кретный набор избранных состояний, называемых стационарными, в которых энергия атома принимает значения E 1 , E 2 , . . . , E n , . . . Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает электромагнитные волны. Как видим, первый постулат Бора вопиющим образом противоречит классической физи- ке: налагается запрет на любые значения энергии, кроме избранного прерывистого набора, и признаётся, что электроны, вроде бы движущиеся ускоренно, на самом деле не излучают. 10 Напомним, что постулат — это базовое, первичное утверждение физической теории, обобщающее опытные данные. Постулат не следует из каких-то других утверждений, он просто констатирует факт: так, мол, ведёт себя природа. 436 Выглядит фантастически, не правда ли? Однако в том же 1913 году, когда Бор предложил свои постулаты, существование стационарных состояний было подтверждено эксперименталь- но — в специально поставленном опыте немецких физиков Франка и Герца. Таким образом, стационарные состояния — это не выдумка, а объективная реальность. Значения разрешённого набора E 1 , E 2 , . . . , E n , . . . называются уровнями энергии атома. Что происходит при переходе с одного уровня энергии на другой? Второй постулат Бора. Если атом переходит из стационарного состояния с большей энер- гией E n в стационарное состояние с меньшей энергией E k , то разность этих энергий может высвободиться в виде излучения. В таком случае излучается фотон с энергией hν = E n − E k (6.13) Эта же формула работает и при поглощении света: в результате столкновения с фотоном атом переходит из состояния E k в состояние с большей энергией E n , а фотон при этом исчезает. Для примера на рис. 6.12 показано излучение фотона при переходе атома с энергетического уровня E 3 на уровень E 1 . Переход заключается в том, что электрон «соскакивает» с одной орбиты на другую, расположенную ближе к ядру. E 1 E 2 E 3 hν = E 3 − E 1 Рис. 6.12. Излучение фотона атомом Формула ( 6.13 ) даёт качественное представление о том, почему атомные спектры испускания и поглощения являются линейчатыми. В самом деле, атом может излучать волны лишь тех частот, которые соответствуют раз- ностям значений энергии разрешённого дискретного набора E 1 , E 2 , . . . , E n , . . .; соответственно, набор этих частот также получается дискретным. Вот почему спектр излучения атомов состоит из отдельно расположенных резких ярких линий. Вместе с тем, атом может поглотить не любой фотон, а только тот, энергия hν которого в точности равна разности E n − E k каких-то двух разрешённых значений энергии E n и E k Переходя в состояние с более высокой энергией E n , атомы поглощают ровно те самые фотоны, которые способны излучить при обратном переходе в исходное состояние E k . Попросту говоря, атомы забирают из непрерывного спектра те линии, которые сами же и излучают; вот почему тёмные линии спектра поглощения холодного атомарного газа находятся как раз в тех местах, где расположены яркие линии спектра испускания этого же газа в нагретом состоянии. Качественного объяснения характера атомных спектров, однако, недостаточно. Хотелось бы иметь теорию, позволяющую вычислить частоты наблюдаемых спектров. Бору удалось это сделать в самом простом случае — для атома водорода. 437 6.6.2 Атом водорода Атом водорода состоит из ядра с зарядом +e, которое называется протоном, и одного электрона с зарядом −e (через e обозначена абсолютная величина заряда электрона). При построении своей теории атома водорода Бор сделал три дополнительных предположения. 1. Прежде всего, мы ограничиваемся рассмотрением только круговых орбит электрона 11 Таким образом, электрон движется вокруг протона по окружности радиуса r с постоянной по модулю скоростью v (рис. 6.13 ). E e r v Рис. 6.13. Модель атома водорода 2. Величина mvr, равная произведению импульса электрона mv на радиус орбиты r, назы- вается моментом импульса электрона. В каких единицах измеряется момент импульса? Смотрим: [mvr] = кг · м с · м = кг · м с 2 · м · с = Н · м · с = Дж · с. Это в точности размерность постоянной Планка! Именно здесь Бор увидел появление дискретности, необходимой для квантового описания атома водорода. Правило квантования (третий постулат Бора). Момент импульса электрона мо- жет принимать лишь дискретный набор значений, кратных «перечёркнутой» постоянной Планка: mvr = n (n = 1, 2, 3, . . .). (6.14) 3. Выше мы говорили, что классическая физика перестаёт работать внутри атома. Так оно в действительности и есть, но вопреки этому мы предполагаем, что электрон притягивается к протону с силой, вычисляемой по закону Кулона, а движение электрона подчиняется второму закону Ньютона: mv 2 r = ke 2 r 2 (6.15) Эти три предположения позволяют довольно просто получить формулы для уровней энер- гии атома водорода. Переписываем соотношение ( 6.15 ) в виде: mv 2 = ke 2 r (6.16) Из правила квантования ( 6.14 ) выражаем v: v = n mr , 11 Впоследствии теория Бора была распространена на общий случай эллиптических орбит. 438 и подставляем это в ( 6.16 ): n 2 2 mr 2 = ke 2 r Отсюда получаем формулу для допустимых радиусов орбит электрона: r n = 2 n 2 kme 2 (6.17) Теперь перейдём к нахождению энергии электрона. Потенциальная энергия кулоновского взаимодействия электрона с ядром равна: W = k(+e)(−e) r = − ke 2 r (Она отрицательна, так как отсчитывается от бесконечно удалённой точки, в которой достигает максимального — а именно, нулевого — значения.) Полная энергия E электрона равна сумме его кинетической и потенциальной энергий: E = mv 2 2 − ke 2 r Вместо mv 2 подставим правую часть выражения ( 6.16 ): E = ke 2 2r − ke 2 r = − ke 2 2r (6.18) Полная энергия, как видим, отрицательна. Если на радиус орбиты никаких ограничений не накладывается, как это имеет место в классической физике, то энергия может принимать любые по модулю значения. Но согласно ( 6.17 ) существует лишь дискретный набор возмож- ных значений радиуса; подставляя их в ( 6.18 ), получаем соответствующий набор допустимых значений энергии атома водорода: E n = − ke 2 2r n = − k 2 me 4 2 2 n 2 (n = 1, 2, 3, . . .). (6.19) Основное состояние атома водорода — это состояние с наименьшей энергией E 1 . В основном состоянии атом может находиться неограниченно долго. Вычисление даёт: E 1 = −2,18 · 10 −18 Дж = −13,6 эВ. Мы видим, что если атом находится в основном состоянии, то для выбивания электрона нужно сообщить атому энергию, равную как минимум 13,6 эВ. Эта величина носит название энергии ионизации атома водорода. По формуле ( 6.17 ) легко вычислить радиус орбиты основного состояния: r 1 = 2 kme 2 = 5 · 10 −9 см. То есть, диаметр атома оказывается равным как раз 10 −8 см — величине, известной из опыта. Таким образом, теория Бора впервые смогла объяснить размер атома! Кроме того, в рамках теории Бора удаётся получить формулы для вычисления частот (или длин волн) спектра атома водорода. Так, согласно второму постулату Бора и формуле ( 6.19 ) имеем: ν = E n − E k h = k 2 me 4 4π 3 1 k 2 − 1 n 2 (6.20) 439 На практике чаще имеют дело с длинами волн. Учитывая, что ν = c/λ, формулу ( 6.20 ) можно переписать так: 1 λ = k 2 me 4 4π 3 c 1 k 2 − 1 n 2 = R 1 k 2 − 1 n 2 (6.21) Константа R = 1,1 · 10 7 м −1 называется постоянной Ридберга. Теория Бора даёт значение этой постоянной, очень хорошо согласующееся с экспериментом. Длины волн спектра атома водорода образуют серии, характеризующиеся фиксированным значением k в формуле ( 6.21 ). Все длины волн данной серии излучаются при переходах на уровень E k с вышележащих энергетических уровней E n (n = k + 1, k + 2, k + 3, . . .). Переходы в основное состояние: E 2 → E 1 , E 3 → E 1 , E 4 → E 1 , образуют серию Лаймана. Длины волн этой серии описываются формулой ( 6.21 ) при k = 1: 1 λ = R 1 − 1 n 2 Линии серии Лаймана лежат в ультрафиолетовом диапазоне. Переходы на второй уровень: E 3 → E 2 , E 4 → E 2 , E 5 → E 2 , образуют серию Бальмера. Длины волн этой серии подчиняются формуле ( 6.21 ) при k = 2: 1 λ = R 1 4 − 1 n 2 Первые четыре линии серии Бальмера лежат в видимом диапазоне (рис. 6.14 ) 12 , остальные — в ультрафиолетовом. Рис. 6.14. Видимый спектр атома водорода (серия Бальмера) Переходы на третий уровень: E 4 → E 3 , E 5 → E 3 , E 6 → E 3 , образуют серию Пашена. Длины волн этой серии описываются формулой ( 6.21 ) при k = 3: 1 λ = R 1 9 − 1 n 2 Все линии серии Пашена лежат в инфракрасном диапазоне. Имеются ещё три «именованных» серии: это серия Брэккета (переходы на уровень k = 4), серия Пфунда (переходы на уровень k = 5) и серия Хэмпфри (переходы на уровень k = 6). Все линии этих серий лежат в далёкой инфракрасной области. 12 Изображение с сайта dic.academic.ru 440 6.6.3 Достоинства и недостатки теории Бора О достоинствах модели атома водорода, предложенной Бором, мы так или иначе уже сказали. Резюмируем их. • Теория Бора продемонстрировала, что для описания атомных объектов принципиально недостаточно представлений классической физики. В микромире работают другие, совер- шенно новые законы. Для микромира характерно квантование — дискретность изменения величин, описываю- щих состояние объекта. В качестве меры квантования, как показала теория Бора, может выступать постоянная Планка , которая является универсальной константой и играет фундаментальную роль во всей физике микромира (а не только в явлениях излучения и поглощения света). • Теория Бора впервые и совершенно точно указала на факт наличия стационарных энер- гетических состояний атома, образующих дискретный набор. Этот факт оказался общим свойством объектов микромира. • В рамках модели Бора удалось получить формулы для вычисления частот спектра атома водорода и объяснить размер атома. Классическая физика была не в состоянии решить эти проблемы. Однако теория Бора, разумеется, не могла претендовать на роль общей теории, описываю- щей микромир. Модель Бора обладала рядом существенных недостатков. • Теория Бора непоследовательна. С одной стороны, она отвергает описание атома на основе классической физики, так как постулирует наличие стационарных состояний и правила квантования, непонятных с точки зрения механики и электродинамики. С другой стороны, классические законы — второй закон Ньютона и закон Кулона — используются для записи уравнения движения электрона по круговой орбите 13 • Теория Бора не смогла дать адекватное описание самого простого после водорода атома гелия. Подавно не могло быть и речи о распространении теории Бора на более сложные атомы 14 • Даже в самом атоме водорода теория Бора смогла описать не всё. Например, дав выраже- ния для частот спектральных линий, модель Бора не объясняла различие в их интенсив- ностях. Кроме того, неясен оставался механизм образования молекулы водорода из двух атомов. Несмотря на свои недостатки, теория Бора стала важнейшим этапом развития физики микромира. Полуклассическая-полуквантовая модель Бора послужила промежуточным звеном между классической физикой и последовательной квантовой механикой, построенной десяти- летием позже — в 1920-х годах. 13 Как шутливо замечал известный физик Брэгг, в теории Бора по понедельникам, средам и пятницам надо применять классические законы, а по вторникам, четвергам и субботам — квантовые. 14 Как опять-таки шутили физики, атом Бора — это не атом бора, а атом водорода. 441 6.7 Лазер Лазер (оптический квантовый генератор) — выдающееся достижение физики XX века. Уни- кальные свойства лазерного луча находят применение в самых разнообразных сферах — от мощных промышленных агрегатов до мелкой бытовой техники. Слово laser образовано первыми буквами фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Дословный перевод таков: «усиление света с помощью вынужденной эмиссии из- лучения». В русском языке используется более короткий термин вынужденное излучение или индуцированное излучение (слово «эмиссия» опускается). Явление индуцированного излучения, которое мы сейчас обсудим, составляет физическую основу действия любого лазера. 6.7.1 Индуцированное излучение Рассмотрим два энергетических состояния атома: основное состояние с энергией E 1 и возбуж- дённое состояние с энергией E 2 > E 1 . Переходя из возбуждённого состояния в основное, атом излучает фотон с энергией hν = E 2 − E 1 Если возбуждённый атом предоставлен сам себе, то он переходит в основное состояние са- мопроизвольно. Момент перехода предсказать невозможно, и потому излучение в этом случае называется спонтанным. Спонтанное излучение различных атомов является некогерентным, поскольку атомы излучают совершенно независимо друг от друга. Оказывается, однако, что атом можно заставить излучить фотон, вынудив соскок электро- на с верхнего уровня на нижний. Это произойдёт под действием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает с частотой перехода ν = (E 2 − E 1 )/h. Эффект аналогичен яв- лению резонанса при вынужденных колебаниях; в качестве вынуждающей силы выступает при этом электромагнитное поле. Излучение атома, вызванное внешним электромагнитным полем, называется вынужденным или индуцированным 15 (рис. 6.15 ). hν E 1 E 2 ∆E До излучения Падение фотона на возбуждённый атом hν Излучение Фотон вынуждает переход атома в основное состояние hν hν После излучения Атом в основном состоянии. Произошло усиление света Рис. 6.15. Индуцированное излучение: hν = ∆E = E 2 − E 1 Левая часть рисунка соответствует начальной ситуации, когда на возбуждённый атом, на- ходящийся в состоянии с энергией E 2 , падает фотон, энергия hν которого в точности равна разности ∆E = E 2 − E 1 энергий возбуждённого и основного состояний. Средняя часть рисунка показывает вынужденный переход атома в основное состояние: под воздействием падающего фотона электрон соскакивает с верхнего уровня на нижний. В правой части рисунка мы видим результат этого соскока. Падающий фотон никуда не делся, а атом, перейдя в основное состояние, излучил ещё один фотон, тождественный па- дающему фотону. Таким образом, вместо одного падающего фотона «на входе» возникло два фотона-близнеца «на выходе». 15 Возможность индуцированного излучения света атомами предсказал А. Эйнштейн в 1916 году. 442 Итак, в результате индуцированного излучения атом испускает монохроматическую волну, совпадающую с падающей волной по частоте и фазе. Эти две волны, интерферируя, усиливают друг друга! Именно этот эффект усиления света используется в лазере. 6.7.2 Инверсная населённость Для усиления света, проходящего через некоторую среду, одного только индуцированного излу- чения атомов среды недостаточно. Нужно ещё создать инверсную населённость энергетических уровней атомов. Давайте разберёмся, что это такое. Когда свет идёт через вещество, возникают два противоположных эффекта. 1. Cвет поглощается атомами среды, находящимися в основном состоянии. Эти атомы пере- ходят в возбуждённое состояние. 2. Свет усиливается за счёт индуцированного излучения возбуждённых атомов. Испуская фотоны, эти атомы возвращаются в основное состояние. |