Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
электромагнитным излучением, особенно хорошо известны два. Первое: атом,
находясь в основном состоянии, поглощает излучение с частотой,
достаточной для перехода в одно из возбужденных состояний, и второе:
атом, находящийся в возбужденном состоянии, спонтанно переходит в более
низкое энергетическое состояние, и этот переход сопровождается
излучением. В обоих случаях изменение энергии АЕ, разумеется, связано с
частотой v соответствующего излучения уравнением АЕ = hv, где h -
постоянная Планка.
Существует, однако, третий, менее известный вид взаимодействия. Если на
атом, находящийся в возбужденном состоянии, воздействует излучение,
которое сам атом в данном состоянии мог бы естественным образом излучить,
то внешнее излучение вызывает индуцированное (или стимулированное)
излучение атома. На первый взгляд этот процесс мало отличается от
спонтанного излучения, тем не менее он представляет собой самостоятельный
вид взаимодействия. Фактически его существование впервые было осознано
Альбертом Эйнштейном в 1916 г., что было вызвано необходимостью объяснить
равновесное распределение по энергетическим состояниям атомов,
взаимодействующих с излучением.
В последующие более чем 35 лет индуцированное излучение заняло важное
место в теоретических исследованиях, но не находило никакого
практического применения. В классической монографии по квантовой теории
излучения, опубликованной в 1954 г., эта тема была лишь едва затронута, а
таким явлениям, как резонансная флуоресценция (см. гл. 11 этой книги) и
рамановское
260
рассеяние1 уделялось значительное внимание. В литера-туре встречались
отдельные упоминания об "отрицательном поглощении", которое могло
возникнуть в результате этого процесса, но ни о каком практическом
использовании -данного эффекта речи не шло.
С развитием микроволновой техники, начавшемся в период второй мировой
войнь!, ситуация стала меняться. В частности, прогресс в области
микроволновой техники повлек за собой исследования взаимодействия
микроволн с веществом, особенно с газами. В этих работах участвовало
много физиков, и по окончании войны они были уже готовы заняться более
глубоким изучением такого взаимодействия. В результате возникла - сначала
лишь в нескольких местах (преимущественно промышленных лабораториях) -
новая область физики, названная микроволновой спектроскопией, которая
быстро получила широкое распространение.
Одним из первых центров исследований по микроволновой спектроскопии был
Колумбийский университет в США, где еще в 1951 г. группа ученых во главе
с Ч. X. Таунсом обнаружила, что индуцированное излучение можно
использовать для детектирования микроволн с высоким разрешением, а также
для генерирования или усиления. В 1954 г. здесь было сконструировано
такое устройство и исследованы его свойства. В знак признания важности
этой работы Таунсу в числе других исследователей была присуждена
Нобелевская премия по физике за 1964 г.2 Дальнейшее изучение привело к
распространению принципа работы этого прибора на видимую область длин
волн; ряд попыток осуществить это предпринимался разными учеными, но
первый успех был достигнут в 1960 г. Т. X. Мейманом из исследовательских
лабораторий фирмы "Хьюджес". Созданные устройства
____________________________________________________ Л
1 Рамановским рассеянием называется процесс, при котором молекула
изменяет свое состояние колебательного или вращательного Движения
нследствне взаимодействия с Падающим извне фотоном; поэтому выходящее
рассеянное излучение смещено по энергии относительно падающего.
2 Одновременно премия была присуждена советским ученым Н. Г. Басову и А.
М. Прохорову из Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР, которые
независимо исследовали многие стороны этого явления, что также привело к
созданию мазера и ла-*ера.
261
получили названия мазер и лазер соответственно. Термин "мазер" (maser)
представляет собой аббревиатуру от английского Microwave Amplification by
Stimulated Emission of Radiation (усиление микроволн при помощи
индуцированного испускания излучения), "лазер" (laser) аналогично от
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (т. e.
вместо""усиление микроволн" "усиление света").
В этой главе мы остановимся на работах группы Таунса, о которых
сообщалось в письме в редакцию журнала The Physical Review и двух
опубликованных там статьях. Кроме того, наряду с описанием других
подходов к изучению данной проблемы здесь изложены результаты Меймана, о
которых сообщалось в серии статей, напечатанных в журналах Physical
Review Letters, Nature, British Communications and Electronics, The
Physical Review.
Важность разработки названных устройств и некоторые их особенности
связаны с одним характерным свойством индуцированного излучения:
излученная волна имеет точно то же направление и фазу, что и
индуцирующая. Действие мазера или лазера удобно представлять в виде
лавинообразного процесса, приводимого в действие "спускным механизмом",