§4. Рентгеновские спектры атомов

Рентгеновские спектры атомов возникают при электронных переходах между внутренними оболочками (конечно, если в них появляются вакантные состояния). Такие спектры, естественно, состоят из дискретного набора линий и называются характеристическими. (Существуют также непрерывные рентгеновские спектры, излучаемые тормозящимися в веществе электронами и называемые поэтому тормозными).

Характеристические спектры так же, как и оптические состоят из спектральных серий (называемых по имени оболочки, на которую совершается переход при излучении). Каждая рентгеновская линия, как и оптическая, обладает мультиплетной структурой. Но, в отличие от оптических спектров сложных атомов, характеристические рентгеновские довольно просто вычисляются по формуле, аналогичной формуле Ридберга.

Каждый внутренний электрон движется в поле ядра и остальных внутренних электронов, но можно приблизительно считать, что он движется в центральном кулоновском поле ядра с некоторым эффективным зарядом Z – . Поправка  называется постоянной экранировки и принимает различные значения в зависимости от номера оболочки. Например, для К-серии  = 1, для L-серии  = 7,4 и т.д. Значения  можно определить экспериментально, т.к. подсчет дает неправильные значения (для L-серии  = 9). Тогда по аналогии с формулой Ридберга для одноэлектронного атома для частот рентгеновских линий получаем выражение

(79)

На рис.19 показана схема возникновения характеристического рентгеновского спектра.

§20. Индуцированное излучение и его применение в окг.

Все предыдущие параграфы этой главы были посвящены изучению самопроизвольного (спонтанного) излучения атомов.

Однако, как показал еще А.Эйнштейн (1915 год), наряду со спонтанным существует также вынужденное или индуцированное излучение.

Вынужденное излучение возникает в результате взаимодействия возбужденного атома с фотонами (или, как говорят, с полем излучения) подходящей частоты. При этом вероятность индуцированных переходов будет прямо пропорциональной числу имеющихся фотонов, т.е. может на много порядков превосходить вероятность спонтанных переходов. Поэтому интенсивность индуцированного излучения может быть колоссальной.

Кроме того, индуцированное излучение отличается от спонтанного высокой степенью монохроматичности и большой направленностью, т.е. чрезвычайно малой расходимостью пучка. Все это объясняется тем, что испущенные при индуцированных переходах фотоны имеют ту же длину волны, тот же импульс и так же ориентированый спин, что и фотоны поля излучения.

В 1960 году были изобретены устройства (Мейман, Таунс, Басов и Прохоров), использующие эти свойства вынужденного излучения. Они получили название лазеров (или мазеров – в зависимости от диапазона длин волн) или ОКГ (оптических квантовых генераторов).

Принцип действия ОКГ очень прост: нужно возбудить как можно большее число атомов рабочего тела (или, как говорят, создать инверсную заселенность энергетических уровней) и задержать их в возбужденном состоянии на такое время, чтобы они успели провзаимодействовать с полем излучения. Для этого энергетическая структура рабочего тела должна иметь хотя бы три соответствующих уровня (рис.20).

Электроны с основного уровня возбуждаются на резонансный, откуда с большой вероятностью переходят на метастабильный уровень, где и задерживаются на время, достаточное, чтобы прореагировать с фотоном соответствующей частоты, появившемся в системе, например, в результате спонтанного перехода (ведь спонтанные переходы не исключаются, они просто редкие по сравнению с индуцированными).

Из всего вышесказанного следует, что ОКГ конструктивно состоит из рабочего вещества (твердого, жидкого или газообразного), системы накачки (ультрафиолетовая лампа, газовый разряд и т.п.) и интерферометра (обычно пара параллельных зеркал на торцах рабочего тела). Последний нужен для того, чтобы фотоны подольше оставались в системе, что приводит к увеличению мощности индуцированного излучения, а также для создания узкого направленного пучка.

Краткие выводы.

При переходе атома из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает фотон с энергией, равной разности энергий стационарных состояний.

Наряду со спонтанным излучением существует индуцированное излучение, возникающее при взаимодействии возбужденных атомов с электромагнитным полем.

!!!!! Примеры решения задач можно посмотреть на сайте кафедры физики www.physics.tsu.ru в разделе "Самостоятельная работа студентов" п. 4.13 "Оптика. Основы квантовой физики. Руководство к проведению самостоятельной работы студентов" (авторы: Ю.Н. Колмаков и др.), стр. 58-61; 68-72; 183-187; 192-193.