Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
который вызывает переходы из возбужденных состояний в более низкие
энергетические состояния, что сопровождается излучением фотонов. При этом
каждый испущенный фотон в свою очередь инициирует дальнейшие переходы и
т. д. Начало всему процессу дает фотон внутреннего теплового или внешнего
падающего излучения. В результате все возникшие фотоны описываются строго
когерентными (т. е. находящимися в одинаковой фазе) волновыми функ-циями.
Напротив, спонтанно излученные фотоны распределены случайным образом как
по фазам, так и по на-, правлениям. Высокая степень когерентности по
отношению ко времени проявляется как высокая степень монохроматичности, а
в пространстве приводит к тому, что корреляция фазы сохраняется на
большом расстоянии. Последнее свойство особенно характерно для лазерц?
благодаря ему удается сфокусировать большие потоки оптического излучения
на площадях порядка квадрата длины волны и получить при этом
напряженности электрического поля порядка нескольких МВ/см.
262
Прежде всего рассмотрим условия, при которых может возникать
индуцированное излучение. В веществе при абсолютной температуре Т число
атомов п, в состоянии с энергией Et пропорционально ехр(-Et/kT), где k-
1,38-10-16 эрг/'К - постоянная Больцмана. Для любых двух уровней 1 и 2 с
энергиями Е\я Е2> Ех вероятность Bn поглощения в состоянии 1 равна
вероятности В21 индуцированного излучения (обе величины берутся в расчете
на один атом). Число актов поглощения /пропорционально П\В\2У а число
актов индуцированного излучения- п2В2\. Поскольку В\2 = В2\,
относительное число таких актов определяется экспоненциальными
множителями в величине отсюда следует, что поглощение превалирует над
индуцированным излучением. Это одна из причин того, что в обычных
ситуациях роль индуцированного излучения незначительна. Для того чтобы
попользовать этот процесс, необходимо вызвать изменение нормального
распределения атомов по энергетическим состояниям - точнее, создать
инверсию заселенности, или превышение числа атомов в верхнем
энергетическом состоянии над числом атомов в нижнем.
Таунс и его соавторы Дж. П. Гордон и X. Дж. Цай-гер работали с молекулами
аммиака NH3. В классическом представлении эта молекула изображается в
виде треугольной пирамиды, у которой три атома водорода расположены в
углах основания, а один атом азота - в вершине. В квантовомеханическом
представлении эта молекула выглядит несколько иначе, так как здесь
учитывается возможность двух эквивалентных положений атома N по обе
стороны от плоскости атомов Н. Потенциальная энергия атома азота как
функция его расстояния от плоскости основания схематически показана на
рис. 13.1. Пунктирными линиями намечен вид кривой для случая, если бы
атом азота мог находиться лишь по одну из сторон от плоскости основания.
Тогда для каждого разрешенного значения энергии были бы возможны два
состояния - по одному с каждой стороны. В действительности, поскольку
потенциальный барьер между Двумя "ямами" имеет конечное значение, эти два
состояния взаимодействуют друг с другом, что приводит к образованию двух
новых состояний. При этом уже нельзя сказать, что атом азота находится по
ту или другую сторону плоскости основания, где расположены атомы
263
водорода, - скорее он с равной вероятностью может быть на любой из них.
Волновая функция, описывающая одно из возможных состояний, не меняется
при перемене
Расстояние от плоскости атомов водорода
Рис. 13 1 Схема зависимости потенциальной энергии атома азота от его
расположения в молекуле аммиака и характерные уровни энергии. Сплошная
линия соответствует реальной ситуации, пунктирная-воображаемому случаю,
когда атом азота расположен лишь по одну сторону от плоскости атомов
водорода.
знака координат, тогда как волновая функция другого состояния меняет
знак. В результате взаимодействия уровни энергии двух новых состояний
расщепляются *, так что уровень энергии симметричного состояния лежит
несколько ниже уровня энергии антисимметричного со-
1 Это обычное явление в определенном классе молекул известно под
названием инверсного удвоения,
264
стояния. Расстояние между соседними парами уровней увеличивается по мере
возрастания величины самих энергий, однако для молекулы аммиака оно
соответствует частотам, лежащим в микроволновом диапазоне.
Кроме этих состояний, колебательных по своей природе, молекула обладает
еще и вращательными состояниями. Последние соответствуют вращениям
молекулы вокруг одной из двух неэквивалентных осей (одна из них
перпендикулярна плоскости атомов водорода, другая лежит в ней).
Вращательные состояния классифицируются по значениям квантованного
момента импульса относительно каждой из двух осей. Вращение слегка
изменяет кривые потенциальной энергии колебаний за счет центробежного
растяжения молекулы, поэтому расстояние между каждой парой колебательных
уровней зависит от вращательного состояния молекулы. В работе Гордона,
Цайгера и Таунса использовался в основном переход между парой уровней
