Понятная физика

В заключительной главе принято подводить итоги. Но мы не будем тратить время на перечисление вопросов, которые не успели рассмотреть. Расскажем лучше о лазерах, которые являются самым ярким воплощением квантовой теории. Лазеры относятся к пионерским изобретениям. Так называются изобретения, которые не имеют аналогов. Хотя в рекламе можно встретить фразу типа, «новый телевизор не имеет аналогов», на самом деле это не так. У любого телевизора есть аналог, так как даже новейший телеприёмник обязан принимать стандартный сигнал от телестудии. Пионерским является изобретение, работающее на новых научных принципах, которые еще нужно открыть. К примеру, пароход изобрели в начале 19-го века. Но это изобретение нельзя назвать пионерским, так как паровоз изобрели ещё в 18-м веке. Вообще говоря, паровую машину могли собрать ещё древние греки, которые имели представление об энергии пара. Лазер – другое дело. Чтобы изобрести лазер, потребовалось сначала создать новый раздел физики – квантовую электронику. Это было сделано уже в 20-м веке. Обратимся к фактам.

Всем известна обыкновенная линза. Она преломляет лучи света, сводя их в крошечное пятнышко. Лучом от линзы можно поджечь бумагу или сухую траву. Но лист металла этим лучом прожечь невозможно, энергия недостаточно сконцентрирована. Дело в том, что преломление лучей зависит от частоты света. Именно по этой причине солнечный луч распадается в спектрометре в радужную полоску. Поэтому, как ни шлифуй линзу, фотоны разного цвета будут попадать в разные места и большой концентрации световой энергии не получить. Вот если бы все фотоны имели одинаковую частоту. Тогда их можно было бы сфокусировать в одну точку на мишени, где плотность энергии выросла бы в сотни тысяч раз. Таким лучом можно прожигать оболочки ракет или сбивать спутники с орбиты. Возникает вопрос, где взять источник света, который выдал бы в нужный момент нужное количество фотонов с одинаковой частотой? До сих пор мы убеждались, что атомы излучают фотоны, какие поглощают сами. Этого требует классический принцип теплового равновесия.

Предположим, что создана неравновесная среда, которая поглощает фотоны, но не излучает сразу, а хранит энергию некоторое время в одинаковых возбужденных электронных оболочках. Такое продлённое состояние возбуждения называют метастабильным. Если все метастабильные оболочки, как по команде, излучат разом одинаковые фотоны, то это будет то, что нужно. Следует заметить, что в водородоподобном атоме метастабильное состояние невозможно. Сферическая оболочка такого атома не способна «задерживать дыхание», она сразу излучает избыток энергии. Очевидно, здесь нужен твердый прозрачный кристалл, с примесью атомов, у которых электронные оболочки могут раздуваться, как грибообразное облако, над оболочками основных атомов. Оболочки основных атомов будут подпирать грибообразные оболочки примеси, не позволяя им достаточно долго вернуться в исходное состояние. Допустим, такой кристалл мы нашли. Но где тот «спусковой» механизм, который заставил бы все метастабильные оболочки разом излучить одинаковые фотоны?

Его нашел Эйнштейн. Изучая в научных отчетах расхождение баланса между атомами среды и внешними фотонами (из отчетов следовало, что некоторые образцы излучают больше фотонов, чем поглощают), он пришел к выводу, что кроме классического теплового излучения света в веществе присутствует дополнительный квантовый механизм, который создает избыток фотонов. Представим, что в водородоподобном атоме разрешены уровни энергии со следующими значениями: Е = -10, -6, -3, -1, -0.5 и т. д. (эВ). При высокой температуре в образце имеется достаточно атомов, в которых электроны находятся на 2-м уровне: Е₂= -6 эВ. Допустим, в данный атом попадает фотон с энергией hν = 4 эВ. Согласно теории квантов, атом не может поглотить этот фотон, чтобы электрон перешел на более высокий уровень. Для 3-го уровня это много (нужно ровно 3 эВ). Для 4-го уровня это мало (требуется ровно 5 эВ). Зато энергия этого фотона в точности равна избытку энергии электрона относительно первого уровня Е₁ = -10 эВ. Получив «удар» именно от фотона 4 эВ, электрон может сбросить излишек энергии 4 эВ в виде кванта 4 эВ и вернуться на 1-й уровень. В результате из атома вылетят два фотона с одинаковой энергией hν = 4 эВ.

Эйнштейн назвал этот механизм «вынужденным излучением», так как чужой фотон вынуждает возбуждённый электрон излучить свой фотон. Если эти два фотона попадут в два других атома, где имеются такие же возбужденные электроны, то после двух столкновений в пространстве появятся четыре фотона с одинаковой частотой. Учитывая скорости фотонов, за долю секунды произойдет лавинообразное размножение фотонов, причем все они будут иметь одинаковую частоту. Если эти фотоны собрать в пучок вогнутыми зеркалами и пропустить через систему линз, то теоретически все излучение будет бить в одну точку и прожигать всё на свете. Дело за малым, нужно подобрать подходящий кристалл.