Спонтанне і індуковане випромінювання атомами і молекулами

Атоми, молекули, іонами є квантовими системами, в яких електрони знаходяться на різних енергетичних рівнях. У відповідності до принципу мінімуму енергії електрони розміщуються, починаючи від ближнього до ядра енергетичного рівня (К-рівень). Такий рівень є нижнім енергетичним рівнем, а потім заповнюють останні рівні, що далі від ядра (вищі енергетичні рівні).

Основний енергетичний стан атома – це стан, при якому, електрони розташовані довкола ядра у від-повідністі до принципу мінімуму енергії. У такому стані атоми можуть знаходитися тривалий час, тому в речовині більшість атомів знаходяться саме в основному стані (розподіл Больцмана).

Можливий стрибкоподібний перехід з одного рівня на іншій і атом переходить в збуджений стан. Для такого переходу атому необхідно надати енергію, рівну різниці енергій електронів на двох рівнях:

E = E₂ - E₁.

Час перебування у збудженому стані дуже короткий -10^-8 с. Перехід атомів із збудженого стану в основне супроводиться випромінюванням фотона енергії (у ідеальному випадку hυ = E₂ - E₁).

Перехід атома із збудженого стану може носити самовільний (спонтанний) і індукований характер. Випромінювання, яке при цьому виникає, відповідно називається спонтанним і індукованим. При само-вільному переході атома із збудженого стану в основний процес носить випадковий характер, тобто випад-кові і час переходу і напрям випромінювання фотона.

Прикладом спонтанного випромінювання може служити люмінесценція, а вимушеного - лазерне випромінювання. Якщо на атом, що знаходиться у збудженому стані подіяти фотоном енергії, то він поглинутися атомом вже не зможе (немає рівнів, на які може перейти електрон). У такому разі енергія зовнішнього фотона приводить до вимушеного переходу електрона на нижній енергетичний рівень, який для даного електрона буде основним. При такому переході утворюється 2 фотони. При цьому фотон, який з'явився унаслідок індукованого переходу, є точною копією фотона, що ініціював перехід атома із збудже-ного стану в основний. Він має ту ж енергію і той же напрям, що і вторинний фотон.

Враховуючи, що в речовині багато атомів, за допомогою спеціальних прийомів можна отримати лавину однакових вторинних фотонів і цим процесом можна керувати.

Ці спеціальні прийоми такі:

1) необхідно, щоб якомога більше атомів в речовині знаходилися у збудженому стані (тобто із заповнен-ням переважно вищих енергетичних рівнів). Речовину, в якій більшість атомів знаходяться у збудженому стані, називають речовиною з інверсною заселеністю енергетичних рівнів. Інверсія в речовині досягається використанням потужного зовнішнього джерела енергії.

2) спеціальних речовин, для яких легко отримати інверсну заселеність енергетичних рівнів. У їх атомах є, так звані, метастабільні енергетичні рівні, які також є вищими по відношенню до основних рівнів, проте час перебування на них електронів відносно великий (10^-2 - 10^-4 з). Можливість існування таких рівнів обумовлена тим, що перехід електрона з такого рівня в основний стан з випромінюванням фотона мало-вірогідний (заборонений правилами переходу).

3) пристрій, який забезпечить багатократне проходження фотонів через речовину з інверсною заселеністю енергетичних рівнів, викликаючи якомога більше індукованих переходів.

Всі ці спеціальні прийоми були об'єднані в пристрої, який носить назву лазер.