Корень квадратный из частоты является линейной функцией атомного номера Z.

Закон Мозли позволяет по измеренной длине волны характеристических максимумов установить атомный номер данного элемента.

 

 

До сих пор мы рассматривали только два вида переходов в атоме:

1. Спонтанные (самопроизвольные) переходы с более высоких энергетических уровней на более низкие с испусканием фотона, энергия которого определялась разностью энергий уровней, между которыми совершался переход.

2. Вынужденные переходы с более низких энергетических уровней на более высокие, при этом фотоны поглощались.

 

В 1916 году Эйнштейн теоретически показал, что этих двух видов переходов недостаточно, чтобы обеспечить состояние равновесия между излучением и веществом.

Вероятность спонтанных переходов определяется лишь внутренними свойствами атомов и не зависит от интенсивности падающего излучения.

Вероятность же поглощательных переходов зависит от свойств атома и от интенсивности падающего излучения.

Эйнштейн полагал, что для обеспечения равновесия между излучением и веществом должны существовать вынужденные переходы с высоких энергетических уровней на низкие уровни с испусканием фотона.

Возникающее в результате таких переходов излучение называют вынужденным или индуцированным. Направление вынужденного излучения совпадает с направлением вынуждающего (падающего) излучения. Частота, фаза и поляризация вынужденного излучения также совпадают с аналогичными характеристиками падающего света. То есть вынужденное и вынуждающее излучения оказываются когерентными.

Согласно принципу детального равновесия, в равновесной термодинамической системе каждый микроскопический процесс сопровождается обратным ему процессом из этого следует, что вероятность обоих процессов ( поглощение и индуцированное излучение должна быть одинакова.

Итак, по Эйнштейну падающее на вещество электромагнитное излучение может вызвать два вынужденных процесса:

- вынужденный переход электрона в атоме из m в n (), который приводит к поглощению фотона и ослаблению интенсивности падающего излучения;

- вынужденный переход из , сопровождающейся индуцированным излучением и увеличивающий интенсивность падающего света.

Результирующее изменение интенсивности зависит от того, какой процесс преобладает.

 

В случае термодинамического равновесия распределение атомов по энергетическим состояниям подчиняется распределению Больцмана:

 

,

Где число атомов в i – том состоянии; G – константа, зависящая от общего числа атомов; энергия i – го состояния.

Из этого следует, что с увеличением значения энергии заселенность данного уровня уменьшается. Число переходов между уровнями пропорционально заселенности исходного уровня, следовательно, в равновесной среде поглощение всегда будет преобладать над вынужденным излучением.

Чтобы создать обратную ситуацию необходимо увеличить заселенность уровней с большей энергией, такая заселенность называется инверсной.

Кроме того, эти энергетические состояния должны быть метастабильными, т.е. электроны в них должны находиться значительно дольше, чем обычно; и переход из этих состояний в состояния с меньшей энергией должен быть вынужденным, а не спонтанным.

Существует несколько способов возбуждения атомов для создания в среде инверсной заселенности (накачки).

Например, в рубиновом лазере, который представляет собой рубиновый стержень (окись алюминия), в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома, накачка осуществляется сильными вспышками света с 560 нм, что соответствует энергии 2,2 эВ.

 

Рис.30

 

При возбуждении атомы хрома переходят из основного состояния с в состояние с. Затем через с они либо возвращаются в состояние с, либо переходят на метастабильный уровень , где их время жизни равно с.

При мощной накачке в оказывается больше атомов, чем в .

Самопроизвольный переход хотя бы одного атома из в вызывает лавинный переход остальных атомов – начинается лазерная генерация.

Лазерное излучение отличается рядом замечательных особенностей:

 

- строгая монохроматичность; разброс по длине волны составляет величину порядка нм;

- высокая временная и пространственная когерентность

- большая интенсивность;

- узость пучка.

 

В 50-х годах прошлого века появились первые устройства, которые усиливали, проходившие через них электромагнитные волны, за счет вынужденного излучения. В 1953 году советскими учеными Басовым и Прохоровым и независимо от них американским физиком Таунсом были созданы первые молекулярные генераторы, работающие в сантиметровом диапазоне электромагнитных волн и получившие название мазеры, за что в 1963 году всем трем ученым была присуждена Нобелевская премия.

В 1960 году американец Мейман сделал генератор вынужденного излучения на рубиновом стержне, работающий в оптическом диапазоне (оптический квантовый генератор) названный лазером. Чуть позже появился гелий-неоновый лазер. А в 1963 году были разработаны первые оптические квантовые генераторы на полупроводниках.