Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
На этих частотах и возможна генерация излучения. Если в интервал AcOj попадает только одна собственная частота резонатора, то, ка-
254
VI. АТОМЫ И ИЗЛУЧЕНИЕ
залось бы, лазер непрерывного действия должен генерировать строго монохроматический свет. Однако по ряду причин это, конечно, не так, хотя излучение такого одномодового лазера обладает очень высокой степенью монохроматичности. И действительно, ширина линии лазерного излучения может быть много меньше не только доплеровской, но и естественной ширины спектральных линий. Ширина лазерной линии может быть доведена до значения 10-14 от самой частоты. Соответствующая такой монохроматичности длина цуга когерентных волн достигает сотен километров.
Наиболее существенной причиной нестабильности частоты генерации являются случайные изменения длины резонатора L, вызываемые, например, тепловым расширением, вибрациями и т. п.
Замечательной чертой лазеров, тесно связанной с когерентностью создаваемого ими излучения, является исключительная способность к концентрации световой энергии: к концентрации в спектре — очень узкая спектральная линия излучения, концентрации во времени — возможность получать сверхкороткие импульсы света, к концентрации в пространстве и по направлению распространения — возможность получать практически параллельный пучок, расходимость которого определяется только дифракционными эффектами и поэтому очень мала, и сфокусировать все излучение в малой области с размерами порядка длины волны.
• Как связано среднее время жизни атома в возбужденном состоянии с классическим представлением о непрерывном излучении и с квантовым представлением о скачкообразном переходе атома из возбужденного состояния в основное?
• Как время жизни х атома в возбужденном состоянии связано с вероятностью спонтанного перехода?
• Что такое вынужденное излучение? Какие теоретические соображения привели к выводу о его существовании?
• Как можно доказать, что вероятность поглощения фотона и вероятность вынужденного излучения одинаковы для данного перехода в атоме?
• Чем вынужденное излучение отличается от спонтанного? Почему электромагнитные волны вызывают переходы не только с поглощением энергии волны, но и с испусканием излучения?
• Чем обусловлена когерентность испускаемого света при вынужденном излучении?
• Почему при анализе работы квантового усилителя можно не учитывать спонтанное излучение?
Рис. 99. В пределах контура спектральной линии находится несколько собственных частот резонатора
§31. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ
255
• Сформулируйте основные этапы вывода закона нарастания интенсивности света по мере его распространения в активной среде.
• Объясните, каким образом благодаря двухзеркальному резонатору в лазере осуществляется положительная обратная связь.
• Какова роль зеркал резонатора в формировании когерентного излучения лазера?
• Чем объясняется возможность генерации излучения лазером сразу на нескольких модах резонатора?
• Объясните, почему спектральная линия лазерного излучения может иметь ширину, много меньшую естественной ширины спектральной линии атома.
§ 31. Электрический ток в газах
В обычных условиях газы не проводят электрический ток, так как их молекулы электрически нейтральны. Например, сухой воздух — это хороший изолятор, в чем мы могли убедиться с помощью самых простых опытов по электростатике. Однако воздух и другие газы
Рис. 100. Воздух становится проводником электрического тока, если его ионизировать
становятся проводниками электрического тока, если в них тем или иным способом создать ионы. Простейший опыт, иллюстрирующий проводимость воздуха при его ионизации пламенем показан на рис. 100: заряд на пластинах, сохраняющийся в течение длительного времени, быстро исчезает при внесении зажженной спички в пространство между пластинами.
Газовый разряд. Процесс прохождения электрического тока через газ обычно называют газовым разрядом (или электрическим разрядом в газе). Газовые разряды подразделяются на два вида: самостоятельные и несамостоятельные.
Несамостоятельный разряд. Разряд в газе называют несамостоятельным, если для его поддержания необходим внешний источник
256
VI. АТОМЫ И ИЗЛУЧЕНИЕ
ионизации. Ионы в газе могут возникать под действием высоких температур, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, радиоактивности, космических лучей и т. д. Во всех этих случаях происходит освобождение одного или нескольких электронов из электронной оболочки атома или молекулы. В результате в газе появляются положительные ионы и свободные электроны. Освободившиеся электроны могут присоединяться к нейтральным атомам или молекулам, превращая их в отрицательные ионы.
Ионизация и рекомбинация. Наряду с процессами ионизации в газе происходят и обратные процессы рекомбинации: соединяясь между собой, положительные и отрицательные ионы или положительные ионы и электроны образуют нейтральные молекулы или атомы.
Изменение со временем концентрации п ионов, обусловленное постоянным источником ионизации и процессами рекомбинации, можно описать следующим образом. Допустим, что источник ионизации создает в единице объема газа за единицу времени q положительных ионов и такое же число электронов. Если в газе нет электрического тока и можно пренебречь уходом ионов из рассматриваемого объема из-за диффузии, то единственным механизмом уменьшения концентрации ионов п будет рекомбинация.
