Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Рис 30. Энергетическая схема атомных уровней. Энергия Е1 соответствует основному состоянию, Е2 – возбужденному.

ческого уровня на высший электрон возбуждается, но при каж дом удобном случае всегда стремиться вернуться из возбужден* ного состояния обратно в основное. В возбужденном состоянии электрон может находиться не дольше наносекунды.

Что же заставляет электрон постоянно стремиться к своему первоначальному состоянию? Читатели наверняка обращали вни мание, что большинство всех объектов в природе всегда стремится минимизировать любое напряжение. Так, например, капля жид кости принимает сферическую, а не треугольную или квадратную форму именно потому, что такая форма наиболее “выгодна” с точ ки зрения противостояния силам поверхностного натяжения. То же самое справедливо и для электрона: чтобы удержаться на верх ней орбитали (превосходящей по энергии его собственную), ему нужно изрядно “попотеть”, преодолевая мощную силу притяже ния ядра – а какому нормальному электрону это понравится? В этом смысле электрон можно в шутку сравнить с лентяем в спорт зале: едва тренеру удастся загнать его на высокую перекладину, он вместо того, чтобы подтягиваться, тут же норовит c нее спрыгнуть.

“А как же тогда электрон переходит на более высокий уро вень?”, – спросите вы. Предположим, что атом находится в сос тоянии n и обладает энергией En . Чтобы вынудить электрон перей ти на уровень m, мы должны каким то образом “выпихнуть” его из основного состояния, придав ему некоторую дополнительную энергию (подобно тому, как пинок тренера необходим, для того, чтобы лодырь оказался на перекладине). Для этого будем “обстре ливать” электрон световыми фотонами различной частоты. Напо

78

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

минаем, что энергия фотона зависит от частоты излучения, поэ

тому она равна:

Е=ћ

где –частота, ћ–постоянная Планка.

Оказывается, не каждый фотон способен вынудить атом перейти в возбужденное состояние, а лишь тот, чья энергия в точности равна разности энергий возбужденного и основного состояний электрона в атоме, то есть:

ћ =Еm*En

Только при такой энергии электрон, поглотив фотон, пе рейдет на уровень, соответствующий энергии Еm.

Рис 31. Получив необходимое количество энергии, электрон переходит на следующий энергетический уровень

Если же энергия фотона окажется больше либо меньше не обходимой, то он “пролетит” сквозь атом, никоим образом не повлияв на состояние электрона.

Рис 32. Электрон остался в первоначальном состоянии вследствие избыточной, либо недостаточной энергии бомбардирующего его фотона

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Итак, электрон находится в возбужденном состоянии, из которого он в силу своей природы стремится вернуться обратно на “родной” уровень. Для этого ему нужно “освободиться” от энергии, полученной от фотона. Поэтому обратный переход сопровождается испусканием светового фотона абсолютно той же частоты, то есть

Еn=Em*ћ

Так квантовая механика обнаружила, что атом обладает способностью поглощать и испускать фотоны света, и это в дальнейшем послужило основой создания лазеров и множества других машин, использующих этот принцип.

Итак, сформулируем важный вывод из теории квантовой механики: физические величины в квантовом мире изменяются квантами, т.е. дискретно.

Невозможно представить себе квантовую физику без одно го из ее основных принципов:

Принцип Паули (или принцип запрета): на каждом энергетическом уровне атома в данном состоянии может находиться только один электрон, при этом чем выше уровень электрона, тем большая энергия ему соответствует. Каждому значению энергии соответствует своя орбита электрона вокруг ядра.

Строго говоря, орбита в квантовой механике – понятие до вольно условное. Из за несовершенства современной аппаратуры и невозможнос ти четко зафиксировать положение элект рона в атоме, можно лишь приблизительно говорить о некоторой “размытой” орбите электрона, означающей только то, что “в среднем” электрон находится на опреде ленном расстоянии от ядра.

Принципы работы лазера

Понять и запомнить с первого раза многочисленные кванто вые постулаты не так то просто. Поэтому, чтобы облегчить чита телям изучение этой главы (на наш взгляд, самой сложной вви ду большого объема новой информации), давайте еще раз повто рим вышеизложенное, но уже на примере работы лазера – заме

80

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

чательного практического применения квантовых законов и способности электронов поглощать и излучать световые кванты.

Рассмотрим вкратце принцип работы простейшего лазера. Мы выяснили, что при переходе атома из основного состояния, которому соответствует более низкий энергетический уровень, в возбужденное (где энергия, соответственно, выше) происхо дит поглощение фотона веществом с переходом на более высо кий энергетический уровень.

Рис 34. Поглощение фотона

Из возбужденного состояния электрон всегда стремится вернуться в основное, поэтому время его пребывания в таком состоянии чрезвычайно мало – наносекунда. Переход электро на на более низкий энергетический уровень сопровождается излучением кванта света. Такое самопроизвольное излучение принято называть спонтанным.

Рис 35. Спонтанное излучение

Однако существует и другой вид излучения, открытый Эйнштейном и называемый вынужденным, или индуцирован* ным. Индуцированное излучение происходит тогда, когда электрон в возбужденном состоянии снова подвергается действию внешнего электромагнитного излучения. При этом электрон переходит на более низкий энергетический уровень, испуская фотон, когерентный (идентичный по энергии и нап равлению) фотону, спровоцировавшему данный переход.

Рис 36. Вынужденное излучение

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Таким образом, при индуцированном излучении мы уже имеем два абсолютно идентичных (когерентных) фотона, дви гающихся в одном направлении.

А теперь представим себе цепочку атомов, вытянутую в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то внешний фотон, ударив в крайний атом по нап равлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из него, причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и направление, что и ударивший. Таким образом, будут двигаться уже два одинаковых фотона. Один из них ударит в следующий атом, который даст излучение ещё одного такого же фотона. Начинается движение уже трех одинаковых фотонов. Точно так же происходит излучение четвертого, пятого фотона, и т. д. Так

в результате незначительного внешнего излучения начнется лави* нообразное усиление светового потока. Теоретически коэффици ент усиления может достигать огромнейшего значения: 1020, и в результате такого усиления будет двигаться огромная армия фо тонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направле ние движения. Таким образом, излучение будет когерентным.

Такая схема получения когерентного (синхронного и син фазного) излучения впервые предложена в 1939 г. советским ученым В.А. Фабрикантом и получила название лазер. Слово является аббревиатурой от английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) — уси ление света с помощью вынужденного излучения.

Мы знаем, что в природе атомы всегда стремятся вернуться к своему основному, невозбужденному состоянию. Поэтому ес ли число возбужденных атомов меньше или равно числу невоз бужденных, то, сколько их ни облучай с помощью внешнего источника, никакого усиления света не получится (поскольку число фотонов, поглощенных невозбужденными атомами, бу дет превосходить число фотонов, излученных возбужденными). Значит, для усиления света и получения когерентного излуче ния надо, чтобы возбужденных атомов было больше, чем нахо дящихся в основном, невозбужденном состоянии.

Если мы сможем каким то образом “переселить” электро ны на более высокие уровни, то есть возбудить большинство атомов, то получим так называемую инверсию населенности энергетических уровней. Тогда при облучении вещества будут

82