Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Гельфгат
§ 23. Люмінесценція. Лазери та мазери
1. Явище люмінесценції
Одним із прикладів явищ, які можна пояснити на основі квантових уявлень про світло, є люмінесценція. Так називають випромінювання речовини*, відмінне від теплового випромінювання. Люмінесценцію називають також «холодним світінням».
* Тривалість світіння має бути не менше ніж 10-10 с.
Деякі форми природної люмінесценції відомі дуже давно. Наприклад, світіння комах (світлячків), світіння морських риб і планктону, полярні сяйва, світіння деревини та інших органічних речовин під час гниття.
Система з показаними на рис. 23.1 дискретними енергетичними рівнями для виникнення випромінювання має спочатку перейти з основного стану в збуджений, тобто отримати додаткову енергію.
Рис. 23.1. Перехід зі збудженого стану в основний може відбуватися по-різному (наприклад, з переходами 1 і 2 або 3 і 4). Якщо якийсь із переходів 1-4 супроводжується випромінюванням, то енергія відповідного фотона менша від енергії збудження
Цей процес може відбуватися по-різному: унаслідок поглинання зовнішнього випромінювання (фотолюмінесценція), хімічних реакцій (хемолюмінесценція), «бомбардування» речовини швидкими електронами (катодолюмінесценція), протікання електричного струму (електролюмінесценція) тощо.
Зверніть увагу!
У випадку фотолюмінесценції менша енергія фотонів означає, що довжина хвилі люмінесцентного випромінювання більша за довжину хвилі поглинутого зовнішнього випромінювання (правило Стокса). Проте відомі й випадки, коли це правило не виконується: додаткове збудження (перехід на вищий енергетичний рівень) може відбуватися за рахунок енергії теплового руху, тоді енергія випроміненого фотона може перевищити енергію поглинутого.
Люмінесценція спостерігається в діапазонах видимого світла, інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювань і навіть у рентгенівському діапазоні.
Перехід зі збудженого стану в основний не обов’язково супроводжується випромінюванням, енергія збудження може перейти у внутрішню енергію речовини або спричинити хімічну реакцію {фотохімічна дія світла). Найважливішим прикладом такої дії світла є фотосинтез, без якого не існувало б життя на Землі.
Люмінесценція знайшла досить широке застосування в техніці. Саме завдяки катодолюмінесценції електронний пучок створював світіння на екрані променевого телевізора. Завдяки електролюмінесценції виникає червоне, зелене, жовте, синє світіння трубок з розрідженим газом (ви ознайомилися з тліючим розрядом у курсі фізики 8 класу).
Так звані енергозберігаючі (порівняно з лампами розжарення) лампи теж є прикладом застосування люмінесценції. Вони містять пари ртуті (які є отруйними, тому слід поводитися з такими лампами обережно, а після виходу з ладу не викидати, а здавати для утилізації). Під час проходження струму через пари ртуті виникає інтенсивне ультрафіолетове випромінювання (тобто відбувається електролюмінесценція). Шар речовини на внутрішній поверхні лампи поглинає ультрафіолетове випромінювання та випромінює видиме світло (тобто відбувається фотолюмінесценція).
У світлодіодах, що є основою найсучасніших джерел світла, теж застосовується один із різновидів електролюмінесценції.
2. Спонтанне й вимушене випромінювання
Розгляньмо докладніше, що відбувається з атомом, який перейшов у збуджений стан (енергетичний рівень 2 на рис. 23.2, а; на цьому рисунку показано для спрощення тільки два енергетичних рівні). Цей стан є нестійким, обов’язково відбудеться перехід в основний стан 1. Але передбачити момент такого переходу неможливо — це випадкова подія. Якщо внаслідок переходу випромінюється фотон, то неможливо передбачити напрям імпульсу цього фотона — він може бути будь-яким. Таке випромінювання називають спонтанним. Саме з таким випромінюванням ми маємо справу в переважній більшості джерел світла. Оскільки випромінювання різних атомів є неузгодженим, виникає некогерентне випромінювання.
Проте існує й інша можливість. Ще А. Ейнштейн передбачив існування вимушеного випромінювання. Виявляється, якщо енергія фотона W = hv дорівнює різниці енергій збудженого та основного станів, то такий фотон може «провокувати» перехід збудженого атома в основний стан з випусканням ще одного такого самого фотона (рис. 23.2, б).
Рис. 23.2. Переходи між енергетичними рівнями, які відповідають: 1 — основному стану; 2 — одному зі збуджених станів
Насправді й це ще не все. Два фотони можуть «перетворитися» на чотири, вісім тощо... Якщо перейти до макроскопічних (класичних) характеристик світла, то можна сказати: вимушене випромінювання має такі самі частоту, фазу й поляризацію, як те світло, яке стало причиною випромінювання.
Проте є й інша можливість: якщо фотон пролітатиме близько від атома, який перебуває в основному стані, атом може просто поглинути цей фотон (рис. 23.2, в). Через деякий час відбудеться випромінювання фотона, проте якщо це буде спонтанне випромінювання, то його напрям може бути будь-яким.
Якщо система перебуває в тепловій рівновазі, то в основному стані завжди більше атомів, ніж у збудженому. Тому фотон має більше шансів «загинути» внаслідок поглинання, ніж «подвоїтися» внаслідок вимушеного випромінювання. У результаті проходження крізь систему напрямлений пучок випромінювання послабиться (рис. 23.3), виникне випромінювання в інших напрямах (тобто відбудеться розсіювання випромінювання).
Рис. 23.3. Проходження випромінювання крізь речовину в стані теплової рівноваги: напрямлений пучок послаблюється. Від тих атомів, які поглинають фотони, трохи згодом виникне розсіяне випромінювання
3. Принцип дії квантових генераторів
Щоб відбувалося підсилення електромагнітного випромінювання внаслідок вимушеного випромінювання, слід отримати середовище з інверсною заселеністю рівнів: у збудженому стані має бути більше атомів, ніж в основному. Виявилося, що це можливо. Наприклад, у газовому середовищі вдалося «сортувати» молекули, відділяючи незбуджені від збуджених.
Інший метод ґрунтується на існуванні так званих метастабільних станів: це збуджені стани, які «живуть» набагато довше за інші (близько 10-3 с замість 10-8 с). В атомах з такими станами вдалося «змусити працювати» вже не два, а три енергетичні рівні (рис. 23.4).
Рис. 23.4. Отримання інверсної заселеності енергетичних рівнів атома: рожеві кружечки показують стан атомів у певний момент, жовті — попередні стани. Суцільні червоні стрілки відповідають збудженню атомів, суцільні сині — спонтанним переходам у метастабільні стани, штрихові червоні — подальшому вимушеному випромінюванню
Нехай атоми речовини внаслідок поглинання фотонів або з інших причин перейшли з основного стану з енергією W1 в збуджений стан з енергією W3, час існування якого є малим. З цього стану атоми спонтанно переходять на метастабільний рівень з енергією W2 (перехід може відбуватися й без випромінювання). На цьому рівні атоми «затримуються» досить довго, що й дає можливість дістати інверсну заселеність рівнів.
Зрозуміло, що такий стан речовини є нестійким. Його можна застосувати не лише для підсилювання випромінювання, а й для його генерації. Досить одному з атомів випадково випроменити фотон, як цей фотон «подвоїться», потім ще раз, потім ще... Оскільки всі фотони не відрізняються від першого, виникне паралельний пучок монохроматичного когерентного випромінювання*.
За таким принципом діють квантові генератори випромінювання: лазери**, які випромінюють світло***, та мазери****, які випромінюють так звані мікрохвилі (радіовипромінювання з дуже малою довжиною хвилі).
* Існують певні обмеження, через які такий пучок трохи розходиться, спектральна лінія дещо розмита, а когерентність не є «абсолютною».
** Від англійського «laser», утвореного з початкових літер виразу «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», тобто «підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання».
*** Ми відносимо сюди й інфрачервоне або ультрафіолетове випромінювання.
**** Від англійського «maser», утвореного з початкових літер виразу «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation», тобто «підсилення мікрохвиль за допомогою вимушеного випромінювання».
Навколо фізики
1954 року було створено перші мазери, а 1960 року — перший лазер. Нобелівську премію з фізики за 1964 рік отримали за роботи в цій галузі радянські фізики М. Г. Басов і О. М. Прохоров, а також американський фізик Ч. Таунс.
На рис. 23.5 наведено спрощену схему рубінового лазера. Головним елементом лазера є рубіновий стрижень у формі циліндра, торці якого є строго паралельними. Торці циліндра посріблені, вони є дзеркалами. Одне з цих дзеркал є напівпрозорим, саме через нього пучок випромінювання виходить назовні. Рубіновий стрижень розміщено всередині імпульсної спіральної лампи (лампи накачки).
Рис. 23.5. Спрощена схема рубінового лазера: 1 — рубіновий стрижень; 2 — лампа накачки; 3 — блок живлення лампи; 4 — напівпрозоре дзеркало; 5 — пучок лазерного випромінювання
Дискретні рівні енергії належать атомам хрому, який є домішкою в кристалі рубіну (на них припадає близько 0,05 % від загальної кількості атомів). Ці атоми поглинають світло від лампи накачки та переходять з першого на третій енергетичний рівень. Після цього більшість атомів хрому переходять у збуджений метастабільний стан. Унаслідок спонтанного випромінювання ці атоми випромінюють фотони у всіх напрямах. Переважна більшість цих фотонів виходить через циліндричну поверхню стрижня. Але якийсь фотон напевно летітиме вздовж осі стрижня. Пролітаючи повз збуджені атоми хрому, він спричиняє вимушене випромінювання «фотонів-близнюків». Отже, інтенсивність випромінювання швидко зростатиме. Коли випромінювання дістанеться напівпрозорого дзеркала, воно частково вийде назовні, решта відіб’ється від дзеркала та піде у зворотному напрямі, підсилюючись унаслідок вимушеного випромінювання збуджених атомів хрому (рис. 23.6). Цей процес триватиме доти, доки не «захватить» переважну більшість збуджених атомів хрому. Тоді імпульс закінчиться й почнеться нова «накачка» — створення інверсної заселеності рівнів.
Рис. 23.6. Схематичне зображення посилення світлової хвилі в лазері (насправді світло напрямлене вздовж осі стрижня): 1 — непрозоре дзеркало; 2 — напівпрозоре дзеркало; 3 — атом, який випадково вислав «початковий» фотон уздовж осі
Сучасні лазери дуже різноманітні за конструкціями, потужністю та своїми можливостями. Існують газові лазери, напівпровідникові тощо. Деякі лазери працюють в імпульсному режимі, інші — у неперервному. Квантові генератори можуть утворювати не тільки видиме світло, а й інфрачервоне, ультрафіолетове, рентгенівське випромінювання.
Вражають різноманітність та масштаби застосування лазерів. Потужні лазери, зокрема інфрачервоні (на вуглекислому газі), застосовують для різання, зварювання та свердлення матеріалів (навіть алмазу). Лазери застосовують у хірургії замість скальпеля, для операцій на кришталику та сітківці ока («приварювання» сітківки до дна ока позбавило багатьох людей від погрози сліпоти).
Лазерне світло, яке поширюється у світловодах, переносить усе більше інформації: саме таким чином працюють кабельні системи зв’язку, кабельне телебачення. Оскільки частота світла набагато перевищує частоту радіохвиль, по лазерному променю можна передавати набагато більший об’єм інформації щосекунди (наприклад, десятки мільйонів телефонних розмов одночасно).
Висока когерентність лазерного випромінювання дає можливість записувати якісні голограми. Лазерна локація дозволяє точно визначити положення та швидкість руху багатьох об’єктів.
Надпотужні лазери — це могутня зброя. Учені розробляють і проекти мирного застосування лазерів для лазерного термоядерного синтезу.
Підбиваємо підсумки
Люмінесценція — це випромінювання речовини, відмінне від теплового, або «холодне світіння». Для такого світіння слід перевести атоми речовини в збуджений стан.
Якщо переходи атомів на нижчий енергетичний рівень відбуваються випадково та не узгоджені, то виникає спонтанне випромінювання, воно є некогерентним. Вимушене випромінювання збуджених атомів виникає під дією фотонів, енергія яких збігається з різницею енергій збудженого та основного станів. При вимушеному випромінюванні всі фотони є однаковими, тому виникає практично паралельний пучок монохроматичного когерентного світла.
Щоб у середовищі відбувалося підсилення електромагнітного випромінювання, слід забезпечити інверсну заселеність рівнів: у збудженому стані має бути більше атомів, ніж в основному. На цьому принципі ґрунтується дія квантових генераторів випромінювання: лазерів (які працюють у діапазонах, близьких до видимого світла) і мазерів (які працюють у діапазоні радіохвиль з дуже малою довжиною хвилі).
Контрольні запитання
1. Наведіть приклади люмінесценції. 2. Чим відрізняється вимушене випромінювання від спонтанного? 3. Що таке інверсна заселеність енергетичних рівнів? 4. Опишіть принцип дії квантових генераторів випромінювання.
Вправа № 23
1. Які перетворення енергії відбуваються при фотолюмінесценції? катодолюмінесценції?
2. Назвіть принципові відмінності лазерного випромінювання від випромінювання лампи розжарення.
3. Які перетворення енергії відбуваються під час роботи енергозберігаючої лампи? Обґрунтуйте свою відповідь.
4. Атоми хрому в рубіновому лазері утворюють як спонтанне, так і вимушене випромінювання. Які характеристики цих випромінювань збігаються, а які — ні?
5. Чому дзеркала лазера мають бути строго паралельними?
