АТОМНИ ПРЕХОДИ. ЛАЗЕРИ
Квантовият модел на атома дава възможност да се обяснят атомните преходи и условията за генериране на лазерно лъчение.
Спонтанно и стимулирано излъчване
а) атомни преходи
Теорията на Бор обяснява добре само свойствата на водородния атом. Строежът на по-сложните атоми се описва от квантовата механика, в основата на която лежат идеите на Бор. Съгласно квантовата механика електроните в атомите могат да бъдат в основно или във възбудени състояния. Основно е състоянието с най-малка енергия. Атомите на всеки химичен елемент имат точно определена схема на енергетичните нива, която е различна от енергетичните нива на другите елементи. Когато всички електрони в атома са в основно състояние, атомът е в основно състояние. Ако някой електрон е във възбудено състояние, говорим за възбуден атом.
Атомни преходи наричаме преминаването на атом от едно състояние в друго.
При всеки преход се излъчва или поглъща енергия, на която съответства по една линия в спектъра на съответния химичен елемент. За да премине от основно в някое възбудено състояние, атомът трябва да получи енергия, равна на енергията на прехода (поглъща фотон). При преминаване от възбудено на по-ниско енергетично ниво, атомът излъчва фотон с енергия, равна на разликата в енергиите на двете нива.
б) спонтанно излъчване
Излъчването на фотон при преход на атома от по-високо към по-ниско енергетично ниво може да бъде спонтанно или стимулирано.
Излъчването е спонтанно, ако възбуден атом преминава на по-ниско енергетично ниво самопроизволно, без външно въздействие.
На фиг. 9 е представена схемата на спонтанно излъчване. Атомите на обикновените източници на светлина, каквито са лампите с нагрята жичка, излъчват предимно спонтанно. Спонтанното излъчване е случайно, хаотично по честота и посока.
в) стимулирано излъчване
Преходът от възбудено на по-ниско енергетично ниво може да е резултат от взаимодействие на възбудения атом с фотон, който има енергия, точно равна на енергията на прехода между двете нива (фиг. 10).
Излъчването е стимулирано, когато възбуденият атом преминава на по-ниско енергетично ниво под действие на фотон с енергия, равна на енергията на прехода.
При преминаване на атома на по-ниското енергетично ниво той излъчва втори фотон със същата енергия. Получават се два еднакви фотона - с една и съща посока и честота. Такива фотони се наричат кохерентни.
Обикновенно по-голяма част от атомите са в основно състояние. Затова значителна част от фотоните се поглъщат и стимулираното излъчване е много слабо.
Лазери
Силно стимулирано излъчване се получава в лазерите (от абревиатурата на английското им название Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Лазерите са специални източници, които излъчват успореден сноп монохроматична кохерентна светлина.
За да се получи силно стимулирано излъчване, трябва да са изпълнени следните условия (фиг. 11):
1. Да има инверсна населеност на енергетичните нива, т.е. по-голяма част от атомите трябва да са във възбудено състояние.
Това е възможно в специални вещества (твърди или газове), които играят ролята на активна среда на лазера. В резултат на протичане на електричен ток или облъчване на активната среда атомите й поглъщат енергия и преминават във възбудено състояние.
2. Възбуденото състояние да е метастабилно, т.е. атомите да остават в това състояние много по-дълго време, отколкото в обикновените възбудени състояния. В такъв случай стимулираното излъчване се извършва преди спонтанното излъчване.
3. Излъчените фотони трябва многократно да преминат през активната среда, за да предизвикат принудено излъчване на по-голям брой възбудени атоми. Това се постига с помощта на две успоредни огледала, поставени от двете страни на активната среда. Едното огледало изцяло отразява светлината, а второто е полупрозрачно - част от светлината преминава през него и се формира лазерният сноп.
Фиг. 11. Принципна схема на лазер. Активната среда е газ, поставен в затворена прозрачна тръба. Атомите на газа поглъщат енергия от външен източник и преминават във възбудено състояние - така се създава инверсна населеност и условия за стимулирано излъчване.
Хелий-неонов лазер
Активната среда е смес от газовете хелий и неон, поставена в затворена стъклена тръба. На тръбата се подава високо напрежение и възниква газов разряд. Получените при газовия разряд свободни електрони се ускоряват от електричното поле, удрят се в атомите на хелия и ги привеждат във възбудено състояние: един от електроните на хелиевия атом преминава от основно състояние в най-близко разположеното по енергия възбудено състояние. Когато след това възбуден атом на хелия се удари в атом на неона, той му предава допълнителната си енергия - електронът на хелиевия атом се връща в основно състояние, а електрон от външния слой на неона преминава в едно от високите възбудени състояния на неона Е3, което има приблизително същата енергия, както възбуденото състояние на хелия. Това състояние на неона е метастабилно. Разположеното под Е3 възбудено състояние с по-малка енергия Е2 е обикновено. Затова електроните по-продължително време се задържат в състояние Е3 и много бързо освобождават състояние Е2, ако попаднат на него (фиг. 12).
Фиг. 12. Електронни преходи в хелий-неонов лазер
По този начин между състоянията Е3 и Е2 на неона се създава инверсна населеност - в състоянието с по-голяма енергия Е3 има повече електрони, отколкото в състоянието с по-малка енергия Е2. Отначало възниква слабо спонтанно излъчване при преходи на неона от метастабилното състояние Е3 в състояние Е2. След това излъчените фотони с дължина на вълната 632,8 nm предизвикват стимулирано излъчване на други възбудени атоми. Получената светлинна вълна се отразява от двете от двете огледала (фиг. 11), многократно преминава през активната среда и се усилва от стимулираното излъчване на голям брой атоми. В резултат на тези процеси се формира сноп от кохерентна лазерна светлина с дължина на вълната 632,8 nm.
Въпроси и задачи
1. Кое излъчване е спонтанно и кое - стимулирано?
2. Какви фотони се полечават при стимулираното излъчване?
3. Опишете принципа на действие на лазера.
4. На какви условия трябва да отговаря активната среда на лазера?
5. Каква е ролята на полупрозрачното огледало в лазера?