МЕХАНИЗМ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Впервые предположение о невидимой мельчай­шей частице «атоме» были высказаны мыслите­лями древней Греции и Рима. В 17 веке в трудах Менделеева, Ломоносова, Клаузиуса, Джоуля и других, это предположение было развито с точки зрения свойств атомов, однако сами атомы до конца 19 века так и счи­тали неделимыми "кир­пичиками мироздания". Открытие радио­актив­ности, рентгеновских и катодных лучей привели к предло­жению моделей строения атома (Резер­форд, Томсон и др.) Бо­лее состоятельной оказа­лась планетарная модель Резерфорда. Однако она по многим пунктам не соответствовала классиче­с­ким представлениям механики и электродина­мики того времени. Выход из этого несоответст­вия был найден датским физиком Н. Бором. Он предложил два постулата, объясняющих стацио­нар­ность и переходы энергии атома:

1. Атом и атомные системы могут дли­тельно пребывать только в некоторых дозво­ленных стационарных состояниях. Этим со­стояниям соответствуют дискрет­ные зна­чения энер­гии. Находясь в этих со­стояниях, атом не излучает и не погло­щает энергию.

2. Любое изменение энергии атома или атом­ной системы связано со скачкообразным пере­ходом ее из одного стационар­ного состоя­ния в другое. При этом излучается или погло­щает­ся квант энергии, равный разности дозволен­ных значений энер­гии стационарных состоя­ний.

Н. Бор рассчитал дозволенные состояния и доз­воленные энер­гии квантов, излучаемых атомом водорода. Эти расчеты полнос­тью совпадали с экспериментальными исследова­ниями Ридберга, проведенными ранее. Однако для других атомов подобные расче­ты не совпа­дали с эксперимен­тальными данными. Нужны были новые не клас­сические подходы. Поэтому, в начале 20-х годов на­шего столетия начала развиваться новая наука - квантовая меха­ника, положения которой объ­ясняли энергетические состояния атомов и атом­ных систем и их поведе­ние при излучении и по­гло­щении энергии. Любая движущая микрочас­тица (в том числе и электрон в атоме) сопостав­ляется с волновым процессом (по де Бройлю). Положение этой частицы описывается в общем виде волновой функцией, зависящей от коорди­нат и времени - ψ (х, у, г, t). Если силовое поле, действующее на электрон стационарно (не зави­сит от времени), то волновую функцию можно представить произве­дением ψ (х, у, z, t) = F(t)ψ(x, у, z) Функция ψ(х, у, z) является вероятностной характеристикой. Выделим в пространстве объем dV = dx dy dz. В пределах dV функция ψ(x, у, z) постоянна. Вероятность нахождения частицы в объеме dV равна

dW =|ψ|²dV, откуда |ψ‌‌‌‌‌‌‌ | ² ₌ dW/dV

Последнее выражение определяет физический смысл волно­вой функции:

Квадрат модуля волновой функции равен плотности веро­ятности, т.е. отношению ве­роятности нахождения частицы в объеме к этому объему.

Таким образом, дискретные значения энергии электрона в атоме определяются конкретными возможными значениями ψ-функции, каждое из которых характеризуется определенным набо­ром квантовых чисел.

Мы не будем рассматривать их подробно, они Вам хорошо известны из школьной программы и курса лекций по химии, по­этому определимся, что:

1. В атоме существуют электронные оболочки, которые обо­значаются К, L, M, N, О, Р, Q, им со­ответствуют главные кванто­вые числа n= 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 - номер оболочки, считая от ядра.

2. В каждой оболочке существуют подоболочки s, p, d, f, g, h, им соответствуют побочные кванто­вые числа 1 = 0, 1, 2, 3, 4, 5.

3. В каждой подоболочке может быть (21+1) - всех уровней с разными спинами S.

4. Магнитное поле движущегося электрона соз­дает дополни­тельные подуровни, которые харак­теризуются магнитными кван­товыми числами m

Поведение электронов в атоме определяется в квантовой ме­ханике дифференциальным урав­нением Шредингера, в состав ко­торого входят энергия электрона в атоме, ψ-функция и коорди­на­ты электрона в трехмерном пространстве. Ре­шение этого уравне­ния приводит к нахожде­нию значений дозволенных уровней энергий Е, выра­женных через квантовые числа: n, i, m, s. Разность рас­считанных энергий определяет спектр излу­чений атома или атом­ных систем. По этой мето­дике были рассчитаны спектры многих атомов периодической системы Менделеева и молеку­лярные спектры. Расчеты достаточно точно сов­падают с эксперименталь­ными дан­ными, что подтверждает правильность основных поло­же­ний квантовой механики. Электроны невозбуж­денного атома всегда стремятся занять состояние с наименьшей энергией, т.е. дозволен­ную орби­таль наиболее близкую к ядру. Однако по прин­ципу Паули в атоме во­дорода и водоро­доподоб­ных соединений один электрон всегда за­нимает состояние с наименьшей энергией, а в сложных атомах электроны заполняют все дозволенные орбиты, начиная с ближ­ней к ядру. Энергетиче­ские уровни молекул определяются как сумма зна­чений энергий, присущих движе­нию электро­нов в атомах, энер­гий колебатель­ного движения атомов и вращательного движе­ния молекул в це­лом, т.е. количество дозволен­ных стационарных со­стояний в молекуле увеличивается.

Eмол = Eэл + Eкол + Eвр

При переходе с более высоких энергетических уровней на нижние, энергия излучается, при об­ратном переходе - поглоща­ется. Энергия фотона равна разности дозволенных энергетиче­ских со­стояний атома или молекулы

hv = Е₂- Е₁

Однако не все переходы могут осуществляться, для каждого атома существуют правила отбора: одни переходы возможны или вероятны; другие переходы маловероятны, но возможны; третьи переходы вообще невозможны (запрещены). Из­лучаемая атома­ми или молекулами энергия составляет спектр испускания, по­глощаемая - спектр поглощения. Получают спектры с помо­щью спектроскопов (дисперсионных и ди­фракционных). В атомных спектрах число дозво­ленных переходов невелико, поэтому визуально спектр состоит из отдельных узких полос и на­зывается линейчатым. Его дают газы и пары металлов.

В молекулярных спектрах, в отдельных диапазо­нах частот чис­ло дозволенных переходов значи­тельно увеличивается. Такие спектры представ­ляют собой широкие полосы и называются по­лосатыми. Твердые, жидкие тела и газы под очень высоким давлением дают сплошной спектр.

Спектры являются источником различной ин­формации:

1. По виду спектра можно судить о состоянии вещества, его температуре, давлении и т.д.

2. По спектру можно определить строение атома, молекулы, структуру их энергетических уровней.

3. По интенсивности спектральных линий опре­деляют количе­ство излучающих (погло­щающих) атомов — количественный хи­миче­ский анализ (до нескольких десятков микро­грамм - 109 кг).

4. По виду спектра можно определить химиче­ский состав об­разцов (качественный химический анализ).

Рассматривая перспективы развития отдельных разделов физи­ки, следует обратить внимание на квантовую электронику. Она изучает методы усиления и генерации электромагнитных колеба­ний с использованием внутреннего излучения квантовых систем (молекул, атомов). Различают два вида квантовых излучений. Если возбужден­ная частица самопроизвольно переходит на более низкий дозволен­ный энергетический уровень, то такое излучение называют спон­танным. Оно является случайным, хаотичным во времени, час­ти­цы находятся в возбужденном состоянии 10^-8 с.

Метастабильными уровнями называются уровни, где спонтан­ный переход маловероятен (атом на­ходится в возбужденном со­стоянии 10"3с). Атомы легко переходят в невозбужденное состоя­ние, если взаимодействуют с фотонами, энергия которых равна разности дозволенных энергетических состояний возбужденной и не­возбужденной частицы. Такое излучение назы­вают вынужден­ным или индуцирован­ным. При индуцированном излучении воз­никают два фотона одинаковой частоты и фазы, распростра­няю­щиеся в одном направлении. Эти фотоны могут вызвать новые вынужденные переходы в других атомах и количество квантов должно было бы возрастать. Распределение частиц по энергетическим уровням описывается зако­ном Больцмана.

Из графика видно, что наи­большее число частиц нахо­дится в невозбужденном со­стоянии, т.е. больше фотонов поглощается. В такой среде усиления не происходит. Уси­ление электромаг­нитных волн можно вызвать, создав активную среду, в которой хотя бы для двух уровней было распределение частиц обратное больцманов­скому - так называемую инверсную заселен­ность. Это условие создается в квантовых генера­торах. Советские уче­ные Н.Г. Басов, A.M. Про­хоров, Ч. Американец Таунс в 1955 году сконст­руировали независимо друг от друга первый мо­лекуляр­ный квантовый генератор (мазер). В 1960 году были созданы ру­биновый и гелий-неоновый квантовые генераторы — лазеры. Гелий-неоно­вый лазер представляет собой газоразрядную трубку из кварцевого стекла диаметром около 7 мм. В ней нахо­дится смесь неона и гелия (в соот­ношении 1:10) при давлении 1 мм. рт. ст. В трубку вмонтированы два электрода и два плос­ких зеркала, одно из которых полупрозрачное. В атоме неона реали­зуется Больцмановское заселе­ние энерге­тических уровней. Для получения ин­версной заселенности ис­пользуются атомы гелия. Возбужденный уровень гелия совпа­дает с 3-м невозбужденным метастабильным уравнением неона. Возбужде­ние атома гелия осуществляется электрическим разря­дом между электродами. При соударении возбужденного атома гелия с невозбужден­ным атомом неона происходит без­излучательная передача энер­гии последнему. Электрон в атоме неона переходит с 1 на 3 уро­вень. Для разгрузки второго уровня диаметр трубки подбирают таким образом, чтобы атомы неона, ударяясь о стенку, безизлучательно отда­вали энергию и электроны переходили со 2-го на 1-й энергетический уровень. Таким образом до­биваются инверсной заселенности 2 и 3 уровня неона. Фотоны, возникающие при вынужденном излучении, сами вызывают вынужденные пере­ходы. При этом пучок фотонов, пер­пендикуляр­ный зерка­лам, будет испытывать наибольшее усиление (многократно отражаясь от зеркал) и выходить наружу через по­лупрозрачное зеркало. Уровни 2 и 3 имеют множество подуровней, по­этому гелий-неоновые лазеры могут работать на 30 длинах волн. Для получе­ния монохроматиче­ского индуцированного излучения зеркала 1 и 2 делают с многослойными покрытиями. За счет интерференции создаются условия для усиления только одной заданной длины волны.

Свойства лазерного излучения - монохроматич­ность, большая мощность, узкий пучок, коге­рентность. Это позволяет использовать лазеры в медицине и других областях для следующих це­лей:

1. Измерение больших расстояний с высокой точностью;

2. В голографии;

3. Как средство связи;

4. Для сварки и резки различных материалов;

5. Применение в медицине:

При появлении лазеров, в связи с широкими пер­спективами их использования перед совре­мен­ной медициной встал ряд совер­шенно новых за­дач.

1. Всестороннее изучение влияния лазерного из­лучения на различные клетки, ткани, органы, системы человеческого организ­ма в целом.

2. Изучение возможности применения лазера с лечебными целями в медицинских специально­стях.

3. Разработка профилактических и лечебных ме­роприятий против возможного вредного дейст­вия лучей лазеров на организм человека. Вопрос о механизме действия лазеров на биоло­гические объекты еще далеки от своего решения, в нем слишком много неясного.

Факторы действия:

1. Температурный (температура самого луча и температура ткани за счет поглощения энергии излучения).

2. Механическое воздействие лазерного излуче­ния (ультразву­ковые волны, ударные волны).

3. Ядовитые вещества, образуемые в ткани в ре­зультате дей­ствия лазерного излучения.

Эффект биологического действия лучей ла­зера зависит:

1.От особенностей самого излучения (тип лазера, энергия, плотность энергии, длительность и час­тота импульсов).

2.От физико-химических и биологических осо­бенностей об­лучаемых тканей и органов (степень пигментации, кровоснабже­ние, тепло­провод­ность и т.д.).

Применение в медицине:

1. Офтальмология - отслойка сетчатки, диагно­стика глауко­мы, катаракты.

2. В терапии - консервативное лечение язв же­лудка, двенад­цатиперстной кишки и др.

3. В хирургии:

а) при резекции печени и селезенки

б) при остановке кровотечения

в) при удалении полипов

г) при резке и сварке тканей

4. В гинекологии:

а) при лечении предраковых заболеваний влага­лища, шейки матки,

б) при пластических операциях на маточных трубах, у жен­щин, страдающих бесплодием,

в) при удалении различных опухолей в половых органах.

5. В пластической хирургии и косметологии - для удаления кожных опухолей, татуировок, де­фектов лица и головы.

6. После лазерного разреза отек и воспаление тканей невели­ки, что дает возможность исполь­зования его в урологии при опе­рациях на моче­точниках, мочевом пузыре, предстательной же­лезе и уретре.

7. Отоларингология - при удалении полипов, со­судистых опухолей носа, новообразований глотки.

8. Нейрохирургия - при операциях на головном мозге, мик­рохирургия (сшивание мелких сосу­дов, нервов, сухожилий).

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

В 1895 году Рентген обнаружил, что если через стеклянную трубку с двумя впаянными электро­дами, из которой выкачан воз­дух до давления 103 мм рт. ст., пропустить электрический ток, то анод выделяет особые, неизвестные до тех пор, неви­димые глазом лучи. Он назвал их Х-лучами. В России и во многих других стра­нах их стали на­зывать рентгеновскими лучами. Рентген, иссле­дуя их свойства, обнаружил следующее:

1.Они обладают сильной проникающей способ­ностью, кото­рая зависит от природы вещества и толщины его. Благодаря это­му свойству они по­лучили широкое распространение в меди­цине и промышленности.

2.Вызывают свечение (люминесценцию) некото­рых тел. С по­мощью экранов из таких веществ их можно наблюдать.

3.Оказывают действие на фотопленку (фотохи­мическое дей­ствие).

4.Способны активно ионизировать воздух и дру­гие вещества.

5.Оказывают биологическое действие на ткани организма, что нашло применение в лечении зло­качественных опухолей.

Однако природу рентгеновских лучей сам Рент­ген не раскрыл. Многие исследователи находили сходство между рентгеновскими лучами и свето­выми - они распространялись прямолинейно и не отклонялись ни в электриче­ском, ни в магнитном поле. Но, если предполо­жить одинаковую при­роду света и рентгеновских лучей, то рентгенов­ские лучи должны были бы обладать волновы­ми и квантовыми свойствами. Однако дифракцию рентгеновских лучей долгое время получить не удавалось. В 1910 году П.Н. Ле­бедев предложил использовать в качестве дифракционной решет­ки для рентгеновских лучей естественные кри­сталлы, а в 1912 году немецкий физик Лауэ вы­полнил этот опыт. Поток рентгеновского света направлялся через диафрагму на кристалл, при этом на эк­ране или фотопленке вокруг централь­ного светлого пятна (недифрагировавшие лучи) возникал ряд светлых точек, расположенных в определенном порядке.

Расстояние между атомами кристаллической ре­шетки, поряд­ка 1А°, соизмеримо с длиной волны и эти промежутки являются центрами вторичных волн, которые, дифрагируя, дают максиму­мы в виде белых пятен. Но т.к. атомы расположены не строго один около другого как щели дифракци­онной решетки, то максимумы расположены в сложном порядке, нежели в дифракцион­ной ре­шетке. Такая картина называ­ется лауэграммой. Этот опыт показал, что рентгеновские лучи имеют волновую природу.

Опыт Лауэ позволил использовать дифракцию рентгеновских лучей:

1. Для определения длины волны, зная расстоя­ние между ато­мами.

2. Для определения структуры веществ по лауэ­грамме, зная длину волны рентгеновских лучей.

Метод изучения молекулярных структур, т.е. оп­ределение по­ложения атомов в молекуле и их природы с помощью рентгено­вских лучей, полу­чил название рентгеноструктурный анализ. Для исследования биологических структур быть использованы различные явления взаимодейст­вия рентгеновского излучения с веществом: по­глощение, рассеяние и дифракция, инактивация (из­менение структуры молекул и функций их со­ставных частей под действием рентгеновского излучения). Метод рассеяния и дифрак­ции рент­геновских лучей использует их волновые свой­ства. Рент­геновские лучи, рассеи­ваемые атомами, входящими в состав мо­лекул, интерферируют и дают картину - лауэграмму, на которой положе­ние и интенсивности максиму­мов зависят от по­ложения атомов в молекуле и от взаимного рас­положения молекул. Если моле­кулы располо­жены хаотически, например, в растворах, то рас­сеяние не зависит от внутренней структуры мо­лекул, а в ос­новном от их размеров и формы.

В дальнейшем были изучены и другие свой­ства рентгеновских лучей:

1. Интерференция.

2. Преломление.

3. Полное внутрен­нее отражение.

4. Поляризация.

5. Спектральный со­став.

6. Взаимодействие с веществом.

Получают рентгено­вские лучи с помощью рент­геновской трубки.

Она состоит из стеклянного баллона с возможно высоким вакуу­мом (10^-6- 10^-7 мм. рт. ст.), в кото­ром находятся два электрода.

Катод - является источником электронов и вы­полняется в виде спирали. Анод состоит из мас­сивного медного стержня, на торцевом срезе ко­торого расположена пластина из вольфрама (зер­кальце анода). Электроны разгоняется в электри­ческом поле и взаимодействуют с зеркальцем анода. В результате взаимодействия образуется поток рентгеновских лучей. Вся трубка окружена свинцовым кожухом, имеется лишь небольшое окно для выхода излучения. Т.к. анод при работе силь­но разогревается, его охлаждают водой или маслом. В некоторых трубках анод делают вра­щающимся. Длина волны рентгеновских лучей от 0,001 до 2 нм. Рентгено­вское излучение харак­теризуется интенсивностью и жесткостью.

Интенсивность - это величина энергии, кото­рую несут рент­геновские лучи, через площадку 1 см² за 1 с.

Жесткость рентгеновского излучения определя­ется его способностью проходить через веще­ство, а прони­кающая способность зависит от дли­ны волны. Рентгеновское излучение возника­ет в результате взаимодействия потока электронов с атомами зеркальца ано­да.

Двигающийся направ­ленно электрон можно представить электрическим током. Попадая в элек­трическое поле атома, движение элек­трона замедляется, что соответствует уменьшению тока. Уменьшение тока

вызовет изменяющееся магнитное поле вокруг электрона, а изме­няющееся магнитное поле на­ведет в смежных точках изменяюще­еся электри­ческое поле и т.д., т.о. при торможении электрона ато­мом возникает электромагнитная волна. Су­ществует и квантовая теория, объяс­няющая воз­никновение тормозного рентгенов­ского излуче­ния. Кроме круговых или эл­липти­ческих стацио­нарных орбит, называемых периодическими, существуют и не замкнутые орбиты электронов (параболические, гиперболи­ческие), по которым может двигаться электрон, не из­лучая и не по­глощая энергии. Подлетая к атому со скоростью υ₁, электрон двигается по ста­ционарной не замк­нутой орбите с энергией Е₁, тормозясь, он пе­ре­ходит на другую стационар­ную орбиту с энер­гией Е₂, при этом излучается квант энергии. На­чальная кинетическая энергия электрона зависит только от ускоряющего напряжения mυ₁²/2=eU и есть величина постоян­ная. Конечная энергия в зависимости от условий торможения может при­нимать любые значения от mυ₁²/2 до 0. Следова­тельно, энергия излучен­ного кванта может быть любой в промежутке от 0 до mυ₁²/2. Спектр излу­чения сплошной, ограниченный со стороны

коротких длин волн.

hv =(mυ₁²)/2 – (mυ₂²)/2

Минимальная энергия кванта определяется из этого уравнения,

если (mυ₂²)/2= 0, тогда или hv_min =(mυ₁²)/2

hc/λ_max =eU, откуда λ_max = (hc)/(eU)