...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь - Попов Георгий Леонтьевич - Страница 37

В романе А.Н. Толстого нет прямых сведений об используемых источниках лучевой энергии. Мы знаем только, что Петр Гарин сжигал в гиперболоиде какие-то таинственные угольные пирамидки. Достоверно можно сказать одно: Гарин пытался превратить тепловую энергию в энергию светового луча. Однако современная наука считает такой путь создания генераторов оптических колебаний бесперспективным. И дело не только в трудности фокусировки света, излучаемого нагретым телом. По законам оптики концентрация энергии в фокусе не может быть больше потока света, испускаемого источником с каждой единицы поверхности. Чтобы обычным лучом света пробить, например, пакет из десяти бритвенных лезвий, температура источника должна быть доведена до 10 млрд градусов. А ведь это в полтора миллиона раз горячее Солнца! Гиперболоид сжег бы сам себя. Нет, тепловой источник света, использованный Гариным, явно не годится для прибора, излучающего остронаправленный свет. Но фиаско научного предвидения не умоляет достоинств романа.

Вам не терпится узнать, на каком принципе основана работа лазера? Тогда приглашаем вас в очередное путешествие в необыкновенный и удивительный микромир элементарных частиц. Именно там, в его недрах, и рождается свет.

Атом… Само его имя переводится как "неделимый". Так считали очень долго. Пока в 1911 г. английский физик, член Лондонского королевского общества Эрнест Резерфорд (1871–1937) не перевернул все существовавшие до того времени представления об атоме. По Резерфорду, строение атома подобно Солнечной системе: в центре ядро — Солнце, вокруг по орбитам движутся электроны — планеты. Простейший пример — атом водорода. Вокруг его ядра вращается всего один электрон.

В 1913 г. другой великий ученый, датский физик Нильс Бор (1885–1962), используя модель атома Резерфорда и теорию квантового излучения света Планка, приоткрыл завесу над тайной излучения атомом порций света. Бор предположил, что в атоме электроны могут двигаться только по определенным орбитам, которые называют разрешенными. С орбиты на орбиту электрон переходит только скачком. Чем ближе орбита электрона к ядру, тем меньшей энергией обладает атом. Обычно атом находится в своем основном (или, говорят, невозбужденном) состоянии, когда электроны водорода расположены на своих ближних орбитах.

Представьте, что в атом водорода ударилась с разбега какая-то частица (например, пролетающий мимо свободный электрон). При ударе атому водорода будет сообщена дополнительная энергия, за счет которой электрон будет отброшен на одну из дальних орбит. Физики говорят, что в этом случае атом поглотил квант энергии и перешел в возбужденное состояние. Поскольку каждой из орбит электрона соответствует определенная энергия атома, то можно считать, что возбуждению атома соответствует переход его на новый энергетический уровень.

Атом не может долго находиться в возбужденном состоянии. Подобно тому, как брошенный вверх камень стремится упасть обратно на землю, так и попавший на другую орбиту электрон стремится вернуться на свою орбиту, "домой". И это вполне естественно.

И что будет с той энергией, которой электрон "зарядился" при ударе? Спускаясь обратно, он вынужден будет ее отдать. И он отдает ее — в виде порции света. Эту порцию (квант) света физики и называют фотоном.

Но свет — это электромагнитное колебание, которое характеризуется длиной волны, или частотой. На какой же длине волны будет происходить излучение нашего атома? Какие цвета радуги мы увидим?

Ответ на этот вопрос дает знаменитая формула Планка, согласно которой частота излучения зависит только от энергии фотона: f = 2,3∙10¹⁴ε. Здесь буквой ε (эпсилон) обозначена энергия, измеряемая в электрон вольтах (эВ). Например, для того чтобы атом испустил фотон красного цвета (частота 4,3∙10¹⁴ Гц), нужно предварительно возбудить его порцией (квантом) энергии в 1,97 эВ, а для испускания фотона фиолетового цвета (частота 7∙10¹⁴) атом должен поглотить сначала квант энергии в 2,05 эВ.

Заметим, что можно вообще "вырвать" электрон из атома, сообщив ему соответствующий квант энергии. Для атома водорода это 13,55 эВ.

Давайте заглянем мысленно внутрь раскаленного куска металла. Атомы в нем энергично колеблются и сталкиваются друг с другом и со свободными электронами. В результате соударений возникает много возбужденных атомов. В состоянии возбуждения атом находится миллионные и даже миллиардные доли секунды. Становясь нормальным, он испускает фотон. Такой самопроизвольный процесс испускания фотона физики называют спонтанным.

Родившийся фотон — материальная частица, сгусток энергии, несущийся с колоссальной скоростью. Он может покинуть раскаленное тело, но может и натолкнуться на нормальный невозбужденный атом. В этом случае произойдет поглощение фотона атомом. Фотон исчезает, зато атом, который поглотил его, оказывается возбужденным. Через миллионные доли секунды этот возбужденный атом выбросит фотон.

Но несущийся в нагретом веществе фотон может налететь и на возбужденный атом. Что же произойдет при этом? Пролетающий мимо возбужденного атома фотон заставит его превратиться в нормальный и выбросить свой фотон. Таким образом, вместо одного окажется два фотона. Обратите внимание, возбужденный атом реагирует не на любой пролетающий мимо фотон, а только на такой, подобный которому он может излучить. Следовательно, оба фотона — и пролегающий, и вновь рожденный, — как братья-близнецы, имеют одинаковые частоты колебаний (одинаковый цвет) и летят в одном направлении.

Если на их пути попадутся два возбужденных атома с такими же, как у фотонов, запасами энергии, то родятся еще два фотона. Теперь уже фотонов четыре — целая "семья". Они, в свою очередь, "выбьют" восемь фотонов, а эти восемь — шестнадцать и т. д. И все фотоны, подчеркнем это еще раз, имеют одинаковую частоту колебаний и направлены в одну сторону. Поток фотонов порождает монохроматический, т. е. одноцветный направленный свет.

Такое излучение фотонов называют вынужденным или индуцированным. Его впервые описал еще в 1917 г. великий ученый физик Альберт Эйнштейн (1879–1955). Но вся беда в том, что в нагретом теле выделить индуцированное излучение оказывается невозможным. И вот почему.

Напомним, что для каждого атома существуют свои "разрешенные" уровни энергии. Невозбужденный атом находится на основном, самом нижнем уровне. Атом, поглотивший порцию энергии, переходит на более высокий уровень. Однако "населенность" различных уровней, (т. е. число атомов, имеющих энергию данного уровня), далеко не одинаковая. Больше всего атомов на самом нижнем уровне, на следующем их меньше, дальше еще меньше.

Конечно, если повышать температуру тела, то населенность верхних уровней начинает быстро расти. Но все же на нижнем уровне атомов будет всегда больше. Это-то и является причиной того, что даже если произойдет индуцированное излучение, то родившиеся при этом фотоны будут немедленно поглощены невозбужденными атомами. Их постигнет та же судьба, что и фотоны, испущенные самопроизвольно. Так что сколько ни нагревай тело, создать на нем современный гиперболоид — лазер — не удастся.

Вывод ясен: нужно уметь каким-то образом искусственно "переселять" атомы с нижних уровней на верхние. Только в том случае, когда верхние уровни будут заселены достаточно плот но. а нижние — гораздо реже, индуцированное излучение будет преобладать над поглощением.

Однако реализовать эту идею практически удалось только в 60-е годы XX столетия, после того как появились труды советских ученых В.А. Фабриканта, Н.Г. Басова, А.М. Прохорова и американского ученого Ч. Таунса по разработке принципов молекулярных генераторов и усилителей. В 1964 г. за эти работы последние трое ученых были удостоены Нобелевской премии.

Первый лазер был создан в 1960 г. американским ученым Т. Мейманом — сотрудником фирмы "Radio corporation of America". В нем он использовал кристалл рубина. Когда-то рубин был очень редким камнем, теперь его получают искусственно в больших количествах. Искусственный рубин — это окись алюминия. Сам по себе кристалл прозрачен. Столь характерный для рубина красный цвет объясняется присутствием небольшого количества атомов хрома (0,05-0,5 %). Чем больше хрома, тем краснее кристалл. Это связано с тем, что атомы хрома поглощают ультрафиолетовый, зеленый и желтый свет, а красный и синий свет они не поглощают. Смесь последних двух излучений выходит из рубина и придает ему специфическую "рубиновую" окраску.