2.4.2 Излучение и поглощение света атомами и молекулами

В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома. Эта модель представляла атом как положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого движутся по эллиптическим орбитам отрицательно заряженные электроны. Общий заряд атома равен нулю, поскольку арифметические заряды ядра и электронов равны между собой. В ядре атома сосредоточено 99,9% массы атома. Атом имеет радиус 10^-10 м, ядро атома — радиус 10^-15–10^-14 м, электроны находятся от ядра на расстоянии от 10 до 100 тыс. радиусов ядра, т. е. основную часть атома составляет пустое пространство.

Планетарная модель не могла объяснить устойчивость атома, так как из-за ускоренного движения и притяжения к ядру электрон должен упасть на ядро и спектр его излучения должен быть непрерывным. Н. Бор в 1913 г. предложил новую теорию строения атома, в основу которой положил следующие постулаты:

 Постулат стационарных состояний: электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным) орбитам, на которых они не излучают и не поглощают энергию. Находясь на стационарной орбите, электрон обладает определенной энергией Е_n (n — порядковый номер орбиты). Нахождение на ближайшей к ядру орбите характеризуется наименьшей энергией. Чем дальше электрон удален от ядра атома, тем большей энергией он обладает. Этот постулат позволил ответить на вопрос: почему электроны не падают на ядро при движении вокруг ядра.

 Правило частот. Поскольку численные значения энергии электронов дискретны, то ее излучение или поглощение при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой происходит порциями (квантами). Это правило объясняет прерывность спектра излучения атома.

Изучение квантовой природы излучения и особенностей взаимодействия излучения с веществом позволило создать устройства с уникальными свойствами, например, лазеры.

Лазер (оптический квантовый генератор) представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча и большой плотностью энергии. Слово «лазер» составлено из первых букв английского словосочетания, означающего «усиление света в результате вынужденного излучения». В лазере происходит преобразование различных видов энергии (световой, электрической, тепловой, химической и др.) в энергию лазерного излучения.

В основе работы лазера лежит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что в определенных условиях возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения. Следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами может возникнуть «цепная реакция» размножения одинаковых фотонов, двигающихся точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии. Процесс перевода среды в инверсное состояние называется накачкой.

Лазеры обладают следующими особыми свойствами:

1 Лазерный луч имеет высокую степень когерентности. Он представляет собой такой луч, в котором все точки волнового фронта согласованы по фазе. При взаимном наложении двух когерентных волн происходит интерференция. С помощью интерференции лазерного луча получают голографическое изображение.

2 Лазерный луч характеризуется монохроматичностью, т. е. способностью генерировать излучение в очень узком диапазоне длины волны (Δλ < 10^-11 м).

3 Лазерный луч имеет большую плотность потока энергии, что позволяет нагревать тело, помещенное на пути луча, до миллионов градусов. Это значит, что понятие «тугоплавкость тела» по отношению к лазерному излучению смысла не имеет. Любое тело может быть превращено непосредственно в пар, минуя жидкую стадию.

4 Очень малое угловое расхождение пучка лазерного излучения. Луч лазера можно сфокусировать в точку диаметром порядка микрона, что позволяет использовать его в микроэлектронике.

Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. Габариты лазеров — от микроскопических для полупроводниковых лазеров до лазеров размером с футбольное поле. Уникальные свойства излучения лазеров позволили использовать их в различных отраслях науки и техники (для резки, сварки и пайки деталей, получения поверхностных покрытий, для создания голограмм, в лазерной химии, для точного измерения расстояний), а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки и пр.).