Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Когда на такой кристалл падает солнечный свет, то под действием энергии электроны вновь возвращаются в часть n-типа, а в части p-типа образуются новые дырки, то есть электрический ток будет возникать постоянно. Солнечные батареи успешно используются для питания искусственных спутников Земли.

Электронные уровни находятся на определенном расстоянии друг от друга, а заполняться могут только путем выделения или поглощения фотонов определенного размера. Именно этот факт привел к появлению очень важных электротехнических устройств.

Например, у молекулы аммиака (NH4) 2 энергетических уровня, разделенные запрещенной энергетической зоной, ширина которой соответствует размеру заряда фотона, необходимого для излучения микроволны частотой 24 млрд. Гц, то есть 1,25 см.

Разницу между энергетическими уровнями можно рассмотреть с геометрической точки зрения. Тогда 3 атома водорода молекулы аммиака можно представить как три вершины равностороннего треугольника, а атом азота будет располагаться на некотором расстоянии от центра этого треугольника. При изменении количества электронов на энергетическом уровне атом азота перейдет на другую сторону треугольника сквозь его плоскость. Таким образом, молекулу аммиака можно заставить вибрировать с частотой 24 млрд. раз в секунду.

Этот период колебания повторяется с чрезвычайной точностью. Точность эта гораздо выше, чем у любого созданного человеком устройства, и даже точнее движения космических тел. На основе такой молекулы можно создавать высокоточные атомные часы, погрешность которых — всего одна секунда на 100 000 лет.

Теперь рассмотрим только лишь энергетические уровни. При прохождении микроволн через газообразный аммиак молекулы поглощают часть микроволновой энергии и поднимаются на уровень выше (из центра к периферии. — Пер.).

Но что происходит с теми молекулами, которые уже находятся на высшем уровне? В 1917 году Эйнштейн выявил, что когда фотон определенного размера ударяется о такую молекулу, то молекула переходит на уровень ниже, двигаясь в том же, что и фотон, направлении и испуская фотон излучения того же размера. То есть под действием микроволнового излучения молекулы аммонии будут либо подниматься с нижних уровней на верхние, либо опускаться с верхних на нижние. При нормальных условиях последнее будет происходить реже, так как на верхнем уровне будет находиться лишь небольшое количество молекул.

Предположим, что возможно каким-либо способом переместить большую часть молекул на верхний уровень. Тогда фотон микроволнового излучения толкнет молекулу на уровень ниже и та выделит еще один фотон. Оба фотона ударятся еще о две молекулы, и те выделят еще два фотона. Эти четыре фотона столкнутся с еще двумя молекулами, и получится уже 8 фотонов и т. д. Исходный фотон породит целую лавину фотонов одинакового размера и двигающихся в одном направлении.

Над разработкой подобного устройства одновременно работали и американские, и советские ученые, однако пальма первенства принадлежит все же американскому физику Чарлзу Таунсу. В 1953 году он разработал метод, с помощью которого возбужденные молекулы аммиака можно изолировать и подвергнуть стимуляции с помощью микроволнового излучения для усиления входящего излучения, то есть входит один фотон, а выходит целый поток.

Такой прибор называется квантовый генератор СВЧ-диапазона, или по-английски мазер. В последующие годы термин «мазер» вытеснил термин «атомные часы».

Вскоре был разработан и твердотельный мазер, состоящий из помещенного в магнитное поле парамагнитного материала (см. ч. II). Электрон в таком мазере может находиться лишь на одном из двух энергетических уровней: если спин электрона совпадает с направлением магнитного поля, то он занимает нижний уровень, а если электрон вращается в противоположную сторону, то он занимает верхний уровень. Под действием магнитного поля электроны постепенно выталкиваются с верхнего уровня на нижний. При переходе на нижний уровень все электроны выделяют излучение одной и той же частоты (монохроматическое излучение).

Первые мазеры (и газовые, и твердотельные) не могли работать непрерывно. Такой мазер сначала нужно было накачать электромагнитным излучением, затем мазер выдавал вспышку излучения, после чего его было необходимо накачивать заново.

Для преодоления этой проблемы американский физик Николас Бломберген использовал системы из трех уровней. При добавлении в систему мазера атомов металла (например, хрома или железа) электроны будут распределяться уже не на два, а на три уровня: верхний, средний и нижний. В этом случае накачка и излучение могут происходить одновременно. Электроны будут подниматься с нижнего уровня на верхний, а с помощью определенной стимуляции можно заставить их опускаться сначала на средний и только потом на нижний уровень. А так как для накачки и для стимуляции необходимы фотоны разного размера, то эти два процесса не будут друг другу мешать, и мазер может работать непрерывно.

Так как мазеры усиливают слабое микроволновое излучение с высокой точностью (то есть с крайне незначительными «шумами»), то в радиоастрономии они используются в качестве высокочувствительных микроволновых приемников.

В принципе этот метод можно использовать и применительно к электромагнитным волнам любой длины, например световым. Таунс впервые заговорил об этом в 1958 году. Такой световой мазер получил название оптический мазер, или лазер.

Первый лазер был создан в 1960 году американским физиком Теодором Майманом. Майман применил в своем приборе трубку из синтетического рубина, состоящего из оксида алюминия с большой примесью оксида хрома (собственно, именно оксид хрома и дает рубину его красный цвет). Под действием света электроны атомов хрома поднимаются на верхние уровни и через небольшой промежуток времени вновь падают вниз. Первые фотоны света (длина волны которых составляет 694,3 миллимикрона) стимулируют появление других фотонов, и кристалл рубина испускает короткую вспышку красного света. В том же году были разработаны и лазеры с непрерывным режимом работы.

Лазер дал людям не только совершенно новую форму света высокой интенсивности и монохроматичности, но и кое-что еще.

Дело в том, что свет любого другого происхождения (солнечный или образующийся в результате горения) состоит из огромного числа пакетов относительно коротких расходящихся во всех направлениях волн.

Лазерное же излучение состоит из движущихся в одном и том же направлении фотонов одинакового размера. То есть такой свет состоит из следующих строго друг за другом пакетов волн одинаковой длины, и все эти волны сливаются в один сплошной световой луч. Такой свет называется когерентным. Конечно же физики научились генерировать длинные когерентные волны уже довольно давно (например, несущая волна радиопередачи также является когерентной), однако лишь в 1960 году стало возможным генерировать когерентные световые волны.

Благодаря особому устройству лазера все излучаемые фотоны движутся в одном направлении. Оба конца рубиновой трубки отполированы до зеркального блеска и дополнительно покрыты серебром. Излучаемые фотоны отражаются от этих зеркал и движутся туда-сюда внутри кристалла, генерируя все больше и больше фотонов. В конце концов пучок фотонов достигает такой интенсивности, что проходит сквозь покрытую меньшим слоем серебра сторону рубина. Понятно, что этот пучок состоит лишь из фотонов, движущихся параллельно продольной оси рубина. Остальные фотоны, пусть даже и с небольшим отклонением от оси, уже после нескольких отражений от зеркальных стенок вылетят за пределы рубина.