Электрические методы обработки материалов - Могорян Н.В.
Скачать (прямая ссылка):
ядра изменяется только скачками. Эта скачкообразность, или дискретность,
положений электронов теоретически была обоснована Н. Бором. В зависимости
от того, на какой орбите расположен электрон, он обладает разным запасом
энергии - большим при удалении от ядра атома и меньшим - при приближении.
Поскольку расстояние между орбитами атома изменяется скачком, то и
энергия электрона также изменяется только дискретно.
До А. Эйнштейна процесс возбуждения атомов (перехода электронов с
нормального энергетического уровня на более высокий) и их перехода в
нормальное состояние представляли следующим образом.
В нагретом теле, в котором происходят соударения атомов, наблюдается лишь
два оптических процесса. Первый состоит в том, что возбужденный атом,
становясь нормальным, испускает фотон. При этом переходе согласно условию
Бора излучается энергия (рис. 76)
AE=E2-Ei = hv, (III.1)
Еь - энергия соответственно 1-го и 2-го энергетического уровня, эВ; h -
постоянная Планка; v - частота перехода.
Переход в этом случае происходит за счет релаксационных процессов, т. е.
процессов, стремящихся возвратить систему в равновесное состояние. Такой
переход называется самопроизвольным, или спонтанным. В результате его
появляется фотон - материальная частица (пока находится в движении),
сгусток электромагнитной энергии, движущийся со скоростью света. В
процессе движения фотон может покинуть раскаленное тело, но может и
столкнуться с невозбужденным атомом. При этом произойдет второй
оптический процесс - поглощение атомом фотона, в результате чего атом,
поглотивший фотон, перейдет в возбуж-
128
2
1
Р и с. 76
Р и с. 77
денное состояние. Однако в таком состоянии атом может находиться не более
10~10-10^12 с, после чего испустит фотон, возвратившись при этом в
исходное (нормальное) состояние.
В своей статье А. Эйнштейн утверждал, что кроме этих двух процессов
возможно существование еще одного -- так называемого вынужденного, или
индуцированного, излучения.
Движущийся в нагретом теле фотон может натолкнуться и на возбужденный
атом, в результате чего он превратится в нормальный, невозбужденный атом.
При этом появится второй фотон, причем частоты их колебаний будут
одинаковы, т. е. монохроматичны. Кроме того, такое вынужденное
(индуцированное) излучение когерентно: электромагнитные колебания фотонов
совпадают по фазе* (рис. 77).
Однако для выделения индуцированного излучения из тела необходимо
соблюдение по крайней мере трех условий [2].
1. Необходимо, чтобы среда не подчинялась закону детального
равновесия, т. е. чтобы количество атомов, перешедших в возбужденное
состояние, намного пре-
* В реальном источнике света, например лампе накаливания, одновременно
происходит большое количество различных энергетических переходов
(скачков) электронов с одной орбиты на другую, изменяют свою энергию
молекулы, столкнувшись, теряют ее свободные частицы. В результате такой
источник света генерирует множество световых квантов (фотонов) с самой
различной частотой.
9 Н. В. Могорян
129
вышало количество атомов, оставшихся на нормальном энергетическом уровне.
Такое состояние системы, когда число атомов на верхнем уровне превышает
число на нижнем, называется инверсным.
Распределение атомов по энергетическим уровням в равновесной системе
подчиняется закону Больцмана:
Ej
Nt = N0e kT , (III.2)
где iV, - число атомов, находящихся на соответствующем энергетическом
уровне; Ег - энергия уровня, эВ; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная
температура, К; No - общее количество атомов в системе.
Из формулы III.2 видно, что количество частиц, находящихся в возбужденном
состоянии, зависит прежде всего от температуры. Отношение числа атомов на
двух определенных энергетических уровнях, или заселенность этих уровней,
определяется выражением, которое выводится из формулы Больцмана
ДГ, _е,-ех
~=е kr , (III.3)
откуда видно, что при любом положительном значении Т число атомов,
находящихся на более высоком энергетическом уровне, с возрастанием
порядкового номера этого уровня убывает, т. е. имеет место неравенство
A7i>JV2 при Ei<CEz. (1П-4)
Состояние системы, при которой заселенность верхнего уровня выше, чем
нижнего, называется инверсной заселенностью, или состоянием с
отрицательной температурой. При этом необходимо иметь в виду, что
отрицательная температура не имеет физического смысла, подобного понятию
обычной температуры.
2. Среда должна быть оптически прозрачной для фотонов.
3. Необходима система с тремя энергетическими уровнями (это вытекает из
п. 1). В системе с двумя энергетическими уровнями получить их инверсное
состояние невозможно, так как вероятность перехода атома под влиянием
излучения с верхнего уровня на
130
I
нижний равна вероятности перехода атома с нижнего уровня на верхний.
Другими словами, среда должна быть прозрачной и активной, т. е. число
возбужденных атомов в ней должно превышать число нормальных атомов.
В качестве такой среды возможно использование плазмы (электрического
