სპონტანური გამოსხივება.

განვიხილოთ ზოგიერთ საშუალოზე ორი ენერგეტიკული დონე 1 და 2 ენერგიებით და (< ).Предположим, что атом или молекула вещества находится первоначально в состоянии соответствующая уровню 2 .Поскольку < атом будет стремится перейти на уровень 1.Следовательно, из атома должна соответствующая разность энергий - .Когда эта энергия высвобождается в виде электромагнитной волны, процесс называется спонтанным излучением. При этом частота излучаемой волны опред-ся формулой (полученной Планком):

რომ. სპონტანური ემისია, რომელიც ხასიათდება ენერგიით ფოტონის გამოსხივებით - როდესაც ატომი გადადის მე-2 დონიდან 1-მდე. (ნახ.)

სპონტანური ემისიის ალბათობა შეიძლება განისაზღვროს შემდეგნაირად. დავუშვათ, რომ t დროის მომენტში მე-2 დონეზე არის ატომები ერთეული მოცულობით. გადასვლის სიჩქარე (/dt)სპონტი. ეს ატომები უმცირეს დონეზე სპონტანური ემისიის შედეგად აშკარად პროპორციულია .. ამიტომ შეგვიძლია დავწეროთ:

(/dt)სპონტი. =A(2)

ფაქტორი A წარმოადგენს სპონტანური ემისიის ალბათობას და ეწოდება კოეფიციენტი. აინშტაინი A. მნიშვნელობა \u003d 1 \ A ეწოდება სპონტანური სიცოცხლის ხანგრძლივობა. A ()-ის რიცხვითი მნიშვნელობა დამოკიდებულია რადიაციაში ჩართულ კონკრეტულ გადასვლაზე.

იძულებითი ემისია.

დავუშვათ, რომ ატომი nah. ელექტრომაგნიტური ტალღა სიხშირით განსაზღვრული გამოთქმით (1) - \h (ანუ სპონტანურად გამოსხივებული ტალღის სიხშირის ტოლი სიხშირით) ეცემა 2 დონეზე და ნივთიერებაზე. ატომური გადასვლით ერთმანეთის ტოლია, არის სასრული ალბათობა იმისა, რომ შემხვედრი ტალღა გამოიწვევს გადასვლას 2→1-დან. ამ შემთხვევაში ენერგიის სხვაობა - გამოიყოფა ელექტრული ტალღის სახით, რომელიც იქნება ინციდენტს დაემატა ერთი, ეს არის იძულებითი გადასვლის ფენომენი.

მნიშვნელოვანი განსხვავებაა სპონტანურ და სტიმულირებულ ემისიის პროცესებს შორის. სპონტანური ემისიის შემთხვევაში ატომი გამოყოფს ელექტრომაგნიტურ ტალღას, რომლის ფაზას არ აქვს გარკვეული კავშირი სხვა ატომის მიერ გამოსხივებული ტალღის ფაზასთან. უფრო მეტიც, გამოსხივებულ ტალღას შეიძლება ჰქონდეს გავრცელების ნებისმიერი მიმართულება. სტიმულირებული ემისიის შემთხვევაში, ვინაიდან პროცესი იწყება შეყვანის ტალღით, ამ ტალღას იმავე ფაზაში ემატება ნებისმიერი ატომის გამოსხივება. ინციდენტის ტალღა ასევე განსაზღვრავს გამოსხივებული ტალღის გავრცელების მიმართულებას. სტიმულირებული ემისიის პროცესი შეიძლება აღწერილი იყოს განტოლების გამოყენებით:

(/dt)გაგრძელება= (3)

სადაც (/dt)vyv.- გადასვლის სიჩქარე 2 → 1 სტიმულირებული გამოსხივების გამო, და როგორც coe-t A გამოსახულებით განსაზღვრული (2), მასაც აქვს განზომილება (დრო) ^-1. თუმცა, A-სგან განსხვავებით, ეს დამოკიდებულია არა მხოლოდ კონკრეტულ გადასვლაზე, არამედ მოხვედრის ელექტრომაგნიტური ტალღის ინტენსივობაზე. უფრო ზუსტად, თვითმფრინავის ტალღისთვის შეიძლება დაწეროთ:

სადაც F არის ფოტონის ნაკადის სიმკვრივე ინციდენტის ტალღაში, არის მნიშვნელობა, რომელსაც აქვს ფართობის განზომილება (სტიმულირებული ემისიის ჯვარი მონაკვეთი) და დამოკიდებულია მოცემული გადასვლის მახასიათებლებზე.

4. აბსორბცია შთანთქმის კოეფიციენტები.

დავუშვათ, რომ ატომი თავდაპირველად 1 დონეზეა. თუ ეს არის მთავარი დონე, მაშინ ატომი მასზე დარჩება მანამ, სანამ მასზე რაიმე გარეგანი აშლილობა არ დაზარალდება. დაე, ელექტრომაგნიტური ტალღა მოხვდეს ნივთიერებას გამოხატვით განსაზღვრული სიხშირით : 2 - ე 1 )/ თ.

ამ შემთხვევაში, არსებობს სასრული ალბათობა იმისა, რომ ატომი გადავიდეს ზედა დონეზე 2. ენერგიის სხვაობა ე 2 - ე 1 , რომელიც აუცილებელია ატომისთვის გადასვლისთვის, აღებულია შემხვედრი ელექტრომაგნიტური ტალღის ენერგიიდან. ეს არის შთანთქმის პროცესი. ანალოგიით (dN 2 / dt ) გასასვლელი = - ვ 21 ნ 2 აღების ალბათობა ვ 12 განისაზღვრება განტოლებით: dN 1 / dt = - ვ 12 ნ 1 , სადაც ნ 1 არის ატომების რაოდენობა მოცულობის ერთეულზე, რომლებიც ამჟამად 1 დონეზეა. გარდა ამისა, ისევე როგორც გამოხატულებაში ვ 21 = 21 ფ , შეგიძლიათ დაწეროთ: ვ 12 = 12 ფ . Აქ 12 გარკვეული ფართობი (შთანთქმის ჯვარი), რომელიც დამოკიდებულია მხოლოდ კონკრეტულ გადასვლაზე. ახლა დავუშვათ, რომ თითოეულ ატომს შეიძლება მიენიჭოს ეფექტური ფოტონის შთანთქმის ჯვარი ა იმ გაგებით, რომ თუ ფოტონი შედის ამ ჯვარედინი განყოფილებაში, ის შეიწოვება ატომის მიერ. თუ გარემოში ელექტრომაგნიტური ტალღის კვეთის ფართობი აღინიშნება ს , შემდეგ ტალღის მიერ განათებული საშუალების ატომების რაოდენობა სისქის ფენაში ძ უდრის ნ 1 სძ და მაშინ მთლიანი შთანთქმის განივი განყოფილება იქნება ტოლი ა ნ 1 სძ . ამიტომ, შედარებითი ცვლილება ფოტონების რაოდენობაში ( dF / ფ ) სისქის ფენაში ძ გარემო არის: dF / ფ = - ა ნ 1 სძ / ს . გასაგებია რომ = ა , ასე რომ რაოდენობას შეიძლება მივცეთ ეფექტური შთანთქმის ჯვრის მონაკვეთის მნიშვნელობა. რადიაციის ურთიერთქმედება მატერიასთან შეიძლება განსხვავებულად იყოს აღწერილი კოეფიციენტის განსაზღვრით გამოხატვის გამოყენებით: = ( ნ 1 – ნ 2 ). Თუ ნ 1 > ნ 2 , მაშინ მნიშვნელობას ეწოდება შთანთქმის კოეფიციენტი. შთანთქმის კოეფიციენტი შეიძლება მოიძებნოს შემდეგნაირად: (2 2 /3 ნ 0 გ 0 თ )( ნ 1 – ნ 2 ) 2 გ ტ ( ) . ვინაიდან ეს დამოკიდებულია ორი დონის პოპულაციებზე, ეს არ არის ყველაზე შესაფერისი პარამეტრი ურთიერთქმედების აღწერისთვის იმ შემთხვევებში, როდესაც იცვლება დონის პოპულაციები, მაგალითად, ლაზერში. თუმცა, ამ პარამეტრის უპირატესობა ის არის, რომ მისი პირდაპირ გაზომვა შესაძლებელია. მართლაც, dF = - ფდზ . მაშასადამე, ფოტონის ნაკადის სიმკვრივის თანაფარდობა, რომელიც შევიდა გარემოში სიღრმეში ლ , შემხვედრი ფოტონის ნაკადის სიმკვრივე უდრის ფ ( ლ )/ ფ (0)= ექსპ (- ლ ) . ამ თანაფარდობის ექსპერიმენტული გაზომვები საკმარისად მონოქრომატული გამოსხივების გამოყენებით იძლევა მნიშვნელობას შემხვედრი სინათლის ამ კონკრეტული ტალღის სიგრძისთვის. შესაბამისი გარდამავალი ჯვარი მონაკვეთი მიიღება გამოსახულებიდან = ( ნ 1 – ნ 2 ) , თუ ცნობილია არაანგარიშსწორებები ნ 1 და ნ 2 . შთანთქმის კოეფიციენტის გაზომვის მოწყობილობას ეწოდება შთანთქმის სპექტროფოტომეტრი.

ბუგე - ლამბერტი - ლუდის კანონი- ფიზიკური კანონი, რომელიც განსაზღვრავს სინათლის პარალელური მონოქრომატული სხივის შესუსტებას შთამნთქმელ გარემოში გავრცელებისას.

კანონი გამოიხატება შემდეგი ფორმულით:

სადაც I0 არის შემომავალი სხივის ინტენსივობა, l არის მასალის ფენის სისქე, რომლითაც გადის სინათლე, kλ არის შთანთქმის კოეფიციენტი (არ უნდა აგვერიოს უგანზომილებიან შთანთქმის ინდექსში κ, რომელიც დაკავშირებულია kλ ფორმულით kλ. = 4πκ / λ, სადაც λ არის ტალღის სიგრძე).

შთანთქმის ინდექსი ახასიათებს ნივთიერების თვისებებს და დამოკიდებულია შთანთქმის სინათლის ტალღის სიგრძეზე λ. ამ დამოკიდებულებას ნივთიერების შთანთქმის სპექტრი ეწოდება.

აღგზნებული სისტემის (ატომის, მოლეკულის) გადასვლა ენერგიის ზედა დონეებიდან ქვედაზე შეიძლება მოხდეს სპონტანურად ან ინდუცირებულად.

სპონტანურს უწოდებენ სპონტანურ (დამოუკიდებელ) გადასვლას, მხოლოდ სისტემის შიგნით მოქმედი და მასში თანდაყოლილი ფაქტორების გამო. ეს ფაქტორები განსაზღვრავს სისტემის საშუალო ყოფნის დროს აღგზნებულ მდგომარეობაში; ჰაიზენბერგის მიმართების მიხედვით (იხ. § 11),

თეორიულად, ამ დროს შეიძლება ჰქონდეს განსხვავებული მნიშვნელობები:

ანუ, ეს დამოკიდებულია სისტემის თვისებებზე - აღგზნებული მდგომარეობის ენერგიის მნიშვნელობების გავრცელებაზე (სისტემის მახასიათებელი ჩვეულებრივ აღებულია, როგორც აღგზნებულ მდგომარეობებში გატარებული დროის საშუალო მნიშვნელობა, დამოკიდებულია საშუალოზე მნიშვნელობა. ასევე გასათვალისწინებელია ზემოქმედება მიმდებარე სივრცის სისტემაზე („ფიზიკური ვაკუუმი“), რომელშიც ელექტრომაგნიტური ტალღების არარსებობის შემთხვევაშიც კი არსებობს, კვანტური თეორიის მიხედვით, მერყევი ველი („ვაკუუმის რყევები“. ”); ამ ველს შეუძლია აღგზნებული სისტემის გადასვლის სტიმულირება დაბალ დონეზე და უნდა შედიოდეს სპონტანური გადასვლების გამომწვევ მოუხსნელ ფაქტორებს შორის.

ინდუცირებული არის იძულებითი (სტიმულირებული) გადასვლა ენერგიულად დაბალ მდგომარეობაში, რომელიც გამოწვეულია აგზნებულ სისტემაზე გარეგანი ზემოქმედებით: თერმული შეჯახებები, ურთიერთქმედება მეზობელ ნაწილაკებთან ან ელექტრომაგნიტური ტალღა, რომელიც გადის სისტემაში. ამასთან, ლიტერატურაში დამკვიდრებულია უფრო ვიწრო განმარტება: ინდუცირებულ გადასვლას ეწოდება გარდამავალი, რომელიც გამოწვეულია მხოლოდ ელექტრომაგნიტური ტალღით, უფრო მეტიც, იმავე სიხშირის, რომელიც გამოიყოფა სისტემის მიერ ამ გადასვლის დროს (სხვა სიხშირეების ველები არ იქნება რეზონანსი სისტემის ბუნებრივი რხევები,

ამიტომ მათი მასტიმულირებელი ეფექტი სუსტი იქნება). ვინაიდან ელექტრომაგნიტური ველის „მატარებელი“ არის ფოტონი, ამ განმარტებიდან გამომდინარეობს, რომ ინდუცირებული გამოსხივებით, გარე ფოტონი ასტიმულირებს იმავე სიხშირის (ენერგიის) ახალი ფოტონის დაბადებას.

მოდით განვიხილოთ სპონტანური და ინდუცირებული გადასვლების ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებლები ერთი მარტივი იდეალიზებული მაგალითის გამოყენებით. დავუშვათ, რომ V მოცულობაში სარკის კედლებით არის იდენტური სისტემები (ატომები, მოლეკულები), რომელთაგან, დროის საწყის ფიქსირებულ მომენტში, გარკვეული ნაწილი გადადის აღგზნებულ მდგომარეობაში ენერგიით, მთლიანი ჭარბი ენერგია ამ მოცულობაში. ტოლი იქნება სპონტანური გადასვლებისთვის დამახასიათებელია:

1) აღგზნებული სისტემების ნორმალურ მდგომარეობებზე გადასვლის პროცესი (ე.ი. ჭარბი ენერგიის გამოსხივება დროში ვრცელდება. ზოგიერთი სისტემა მცირე ხნით არის აღგზნებულ მდგომარეობაში, ზოგისთვის ეს დრო უფრო გრძელია. ამიტომ ნაკადი ( გამოსხივების სიმძლავრე დროთა განმავლობაში შეიცვლება, რაღაც მომენტში მიაღწევს მაქსიმუმს და შემდეგ ასიმპტომურად შემცირდება ნულამდე. გამოსხივების ნაკადის საშუალო მნიშვნელობა უდრის

2) დროის მომენტი, როდესაც იწყება ერთი სისტემის გამოსხივება, და ამ სისტემის მდებარეობა სრულიად არ არის დაკავშირებული გამოსხივების მომენტთან და მეორის მდებარეობასთან, ანუ არ არსებობს „თანმიმდევრულობა“ (კორელაცია) რადიაციულ სისტემებს შორის. სივრცეში თუ დროში. სპონტანური გადასვლები არის სრულიად შემთხვევითი პროცესები, მიმოფანტული დროში, გარემოს მოცულობაზე და ყველა შესაძლო მიმართულებით; სხვადასხვა სისტემის პოლარიზაციისა და ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სიბრტყეებს აქვთ სავარაუდო გავრცელება, ამიტომ ემიტერები არ არიან თანმიმდევრული ტალღების წყაროები.

ინდუცირებული გადასვლების დასახასიათებლად, დავუშვათ, რომ ერთი ფოტონი, რომლის ენერგია ზუსტად ტოლია, შეყვანილია განხილულ V მოცულობაში დროის მომენტში. არსებობს გარკვეული ალბათობა, რომ ეს ფოტონი შეიწოვება მის მიერ ერთ-ერთი შეჯახების დროს. აუღელვებელი სისტემა; ეს ალბათობა გათვალისწინებული იქნება ქვემოთ უფრო ზოგად შემთხვევაში (როდესაც განსახილველი სისტემები ურთიერთქმედებენ V მოცულობის ფოტონის აირთან). ჩვენ ვივარაუდებთ, რომ ფოტონი არ შეიწოვება, ბევრჯერ აირეკლება ჭურჭლის კედლებიდან და აღგზნებულ სისტემებთან შეჯახებისას ასტიმულირებს იმავე ფოტონების გამოსხივებას, ანუ იწვევს ინდუცირებულ გადასვლებს. თუმცა, ყოველი ახალი ფოტონი, რომელიც გამოჩნდება ამ გადასვლების დროს, ასევე აღაგზნებს ინდუცირებულ გადასვლებს. ვინაიდან ფოტონის სიჩქარეები მაღალია და V მოცულობის ზომები მცირეა, ძალიან მცირე დრო დასჭირდება იმისთვის, რომ ყველა აღგზნებულ სისტემას, რომელიც იმყოფება დროის საწყის მომენტში, ნორმალურ მდგომარეობაში გადავიდეს. ამრიგად, ინდუცირებული გადასვლები ხასიათდება შემდეგი მახასიათებლებით:

1) ჭარბი ენერგიის გამოყოფისთვის საჭირო დრო შეიძლება იყოს კონტროლირებადი და ძალიან მცირე, ასე რომ, რადიაციის ნაკადი შეიძლება იყოს ძალიან დიდი;

2) გარდა ამისა, გადასვლის გამომწვევი ფოტონი და იმავე ენერგიის (სიხშირის) ფოტონი, რომელიც გამოჩნდა ამ გადასვლის დროს, ერთსა და იმავე ფაზაშია, აქვთ იგივე პოლარიზაცია და მოძრაობის მიმართულება. ამრიგად, ინდუცირებული გამოსხივების შედეგად წარმოქმნილი ელექტრომაგნიტური ტალღები თანმიმდევრულია.

თუმცა, ფოტონის ყოველი შეჯახება აღგზნებულ სისტემასთან არ იწვევს მის ნორმალურ მდგომარეობაზე გადასვლას, ანუ, სისტემასთან ფოტონის თითოეულ „ურთიერთქმედების აქტში“ ინდუცირებული გადასვლის ალბათობა არ უდრის ერთიანობას. ავღნიშნოთ ეს ალბათობა და ვთქვათ, რომ დროის მოცემულ მომენტში არის ფოტონები V მოცულობაში და თითოეულ მათგანს, საშუალოდ, შეიძლება ჰქონდეს შეჯახება დროის ერთეულში. შემდეგ ინდუცირებული გადასვლების რაოდენობა დროის ერთეულზე და, შესაბამისად, ფოტონების რაოდენობა, რომლებიც გამოჩნდება V მოცულობაში, ტოლი იქნება

მოდით აღვნიშნოთ V მოცულობაში აგზნებული სისტემების რაოდენობა, როგორც აღგზნებულ სისტემებთან ფოტონების შეჯახების რაოდენობა პროპორციული იქნება ასეთი სისტემების კონცენტრაციისა, ანუ შემდეგ შეიძლება გამოიხატოს იმის მიხედვით:

სადაც შინდი ითვალისწინებს ყველა სხვა ფაქტორს გარდა ფოტონების რაოდენობისა და აღგზნებული სისტემების რაოდენობისა

ფოტონების რაოდენობის ზრდა V მოცულობაში ასევე მოხდება სპონტანური ემისიის გამო. სპონტანური გადასვლის ალბათობა არის აღგზნებულ მდგომარეობაში ყოფნის საშუალო დროის საპასუხო ტოლი, შესაბამისად, ფოტონების რაოდენობა, რომლებიც გამოჩნდება დროის ერთეულში სპონტანური გადასვლების გამო ტოლი იქნება.

ფოტონების რაოდენობის შემცირება V მოცულობაში მოხდება მათი შეწოვის შედეგად აუღელვებელი სისტემების მიერ (ამ შემთხვევაში გაიზრდება აღგზნებული სისტემების რაოდენობა). ვინაიდან სისტემასთან ფოტონის ყველა „ურთიერთქმედების აქტს“ არ ახლავს შთანთქმა, უნდა დაინერგოს შთანთქმის ალბათობა.

მოდით ვიპოვოთ განსხვავება ფოტონების ემისიის და შთანთქმის პროცესების ინტენსივობას შორის, ანუ სისტემების გადასვლის პროცესებს უფრო მაღალი დონეებიდან ქვედა დონეზე და პირიქით:

განხილულ მოცულობაში მნიშვნელობიდან გამომდინარე, შეიძლება მოხდეს შემდეგი ცვლილებები;

1) თუ მაშინ ამ მოცულობაში მოხდება ფოტონის გაზის სიმკვრივის თანდათანობითი შემცირება, ანუ გამოსხივების ენერგიის შთანთქმა. ამისათვის აუცილებელი პირობაა აღგზნებული სისტემების დაბალი კონცენტრაცია:

2) თუ მაშინ სისტემაში დამყარებულია წონასწორული მდგომარეობა აღგზნებული სისტემების გარკვეული სპეციფიკური კონცენტრაციით და გასხივოსნებული ენერგიის სიმკვრივით;

3) თუ (რაც შესაძლებელია დიდი მნიშვნელობებით, მაშინ განსახილველ მოცულობაში მოხდება ფოტონის გაზის სიმკვრივის მატება (გამოსხივების ენერგია).

აშკარაა, რომ გამოსხივების ენერგიის შემცირება ან ზრდა მოხდება არა მხოლოდ იზოლირებულ მოცულობაში ამრეკლავი კედლებით, არამედ იმ შემთხვევაშიც, როდესაც მონოქრომატული გასხივოსნებული ენერგიის ნაკადი (სიხშირის მქონე ფოტონების ნაკადი ვრცელდება გარემოში, რომელიც შეიცავს აღგზნებული ნაწილაკები ჭარბი ენერგიით

ვიპოვოთ ფოტონების რაოდენობის შედარებითი ცვლილება ფოტონზე და სისტემაზე; (2.86), (2.83), (2.84) და (2.85) გამოყენებით ვიღებთ

გაითვალისწინეთ, რომ წონასწორობის მდგომარეობაში (რაც შესაძლებელია მხოლოდ დადებით ტემპერატურაზე § 12-ში მოცემული ფორმულის მიხედვით (2.42), თანაფარდობა უდრის

დანაყოფის ფუნქცია მნიშვნელში ამ შემთხვევაში შედგება მხოლოდ ორი ტერმინისგან, რომლებიც შეესაბამება: 1) სისტემებს ენერგიით ნორმალურ მდგომარეობაში და 2) ენერგიით აღგზნებულ სისტემებს ამ ფორმულიდან გამომდინარეობს, რომ უსასრულოდ დიდ პოზიტიურ ტემპერატურაზე ეს ნიშნავს, რომ გაზრდით ტემპერატურაზე შეუძლებელია ისეთი მდგომარეობის მიღწევა, რომელშიც აღგზნებული სისტემების რაოდენობა აღემატება აუგზნებულთა რაოდენობას. იყო Mneexc-ზე მეტი, ანუ აუცილებელია, რომ დაბალ დონეზე გადასვლისას გამოჩენილი ფოტონების რაოდენობა აღემატებოდეს იმავე დროს შთანთქმული ფოტონების რაოდენობას). ზემოთ აღინიშნა, რომ ტემპერატურის აწევით ასეთი მდგომარეობის მიღწევა შეუძლებელია. ამიტომ, იმისათვის, რომ მივიღოთ საშუალება, რომელსაც შეუძლია გააძლიეროს მასში გამავალი სხივური ნაკადი, აუცილებელია ატომებისა და მოლეკულების აგზნების სხვა (არატემპერატურული) მეთოდების გამოყენება.

შეიძლება აჩვენოს, რომ მეტი (ე.ი. N) შეიძლება იყოს მხოლოდ უარყოფით ტემპერატურაზე, ანუ განსახილველი გარემოს არა წონასწორობის მდგომარეობაში. გარდა ამისა, თუ ეს არათანაბარი მდგომარეობა მეტასტაბილურია (იხ. ნაწილი II, § 3), მაშინ შესაძლებელია, შესაბამისი გარეგანი გავლენის დახმარებით, გამოიწვიოს წონასწორობის მდგომარეობაზე მკვეთრი გადასვლა ჭარბი ენერგიის გამოთავისუფლებით. ძალიან მოკლე დროში. ეს იდეა ემყარება ლაზერების მუშაობას.

გარემოს მდგომარეობას, რომელშიც ენერგიის ზედა დონეებს ქვედათან შედარებით დიდი შევსების ფაქტორები აქვთ, ინვერსია ეწოდება. მას შემდეგ, რაც ამ მდგომარეობაში საშუალო არ ასუსტებს, როგორც ყოველთვის, არამედ აძლიერებს მასში გამავალ გამოსხივებას, გარემოში გასხივოსნებული ნაკადის ინტენსივობის შეცვლის ფორმულაში.

კოეფიციენტი იქნება უარყოფითი მნიშვნელობა (აქედან გამომდინარე, მაჩვენებელი დადებითი მნიშვნელობაა). ამის გათვალისწინებით, ინვერსიულ მდგომარეობაში მყოფ გარემოს ეწოდება გარემო უარყოფითი შთანთქმის ინდექსით. ასეთი მედიის მოპოვების შესაძლებლობა, მათი თვისებები და გამოყენება ოპტიკური გამოსხივების გამაძლიერებლად დაადგინეს და შეიმუშავეს V.A. Fabrikant-მა და მისმა თანამოაზრეებმა (1939-1951).

მუტაციები (ლათინურიდან mutatio - ცვლილება) არის გენების და ქრომოსომების ცვლილება, რომელიც გამოიხატება ორგანიზმების თვისებებისა და მახასიათებლების ცვლილებით. ისინი 1901 წელს აღწერა ჰოლანდიელმა მეცნიერმა დე ვრისმა. მან ასევე ჩაუყარა საფუძველი მუტაციების თეორიას. დროსა და სივრცეში მუტაციების წარმოქმნის პროცესს ე.წ მუტაგენეზი . ნივთიერებები, რომლებიც იწვევენ უჯრედებში მუტაციას მუტაგენები.

წარმოშობის მიხედვით განასხვავებენ სპონტანურ და ინდუცირებულ მუტაციებს.

გენერაციული და სომატური მუტაციები.

მუტაციები შეიძლება მოხდეს ორგანიზმის განვითარების ყველა ეტაპზე და გავლენა მოახდინოს გენებსა და ქრომოსომებზე, როგორც ჩანასახოვან უჯრედებში, ასევე სომატურ უჯრედებში. ამიტომ უჯრედის ტიპის მიხედვით გამოიყოფა გენერაციული და სომატური მუტაციები. გენერაციული მუტაციები გვხვდება ჩანასახოვან უჯრედებში და ამ შემთხვევაში გადაეცემა შემდეგ თაობებს. სომატური მუტაციები გვხვდება სხეულის ნებისმიერ სხვა სომატურ უჯრედში; ისინი კიბოს პროვოცირებას ახდენენ, არღვევენ იმუნურ სისტემას, ამცირებენ სიცოცხლის ხანგრძლივობას. სომატური მუტაციები არ არის მემკვიდრეობითი. კანცეროგენების უმეტესობა იწვევს მუტაციებს სომატურ უჯრედებში.

სპონტანური და გამოწვეული მუტაციები.

სპონტანური მუტაციები (მოცემული სახეობის ორგანიზმის გენების მთლიანობის სპონტანური ცვლილება) - ის მუტაციები, რომლებიც ორგანიზმებში ხდება ნორმალურ ბუნებრივ პირობებში, აშკარა მიზეზის გარეშე; ისინი წარმოიქმნება როგორც შეცდომები გენეტიკური მასალის გამრავლებისას, რადგან რედუპლიკაცია არ ხდება აბსოლუტური სიზუსტით. დიდი ხნის განმავლობაში ითვლებოდა, რომ სპონტანური მუტაციები უმიზეზოა. ახლა მივიდნენ დასკვნამდე, რომ ისინი უჯრედებში მიმდინარე ბუნებრივი პროცესების შედეგია. ისინი წარმოიქმნება დედამიწის ბუნებრივი რადიოაქტიური ფონის პირობებში კოსმოსური გამოსხივების, რადიოაქტიური ელემენტების დედამიწის ზედაპირზე, რადიონუკლიდების სახით ორგანიზმების უჯრედებში. სპონტანური მუტაცია შეიძლება მოხდეს ინდივიდის განვითარების ნებისმიერ დროს და გავლენა მოახდინოს ნებისმიერ ქრომოსომაზე ან გენზე. სპონტანური მუტაციების გაჩენის სიხშირე, მაგალითად, 1:100000.

გამოწვეული მუტაციები წარმოიქმნება მუტაგენების მოქმედების შედეგად, რომლებიც არღვევენ უჯრედში მიმდინარე პროცესებს.

თუ შევადარებთ სპონტანური და ინდუცირებული მუტაციების სიხშირეს ორგანიზმების უჯრედებში მუტაგენით და მკურნალობის გარეშე, აშკარაა, რომ თუ მუტაგენის ზემოქმედების შედეგად მუტაციების სიხშირე 100-ჯერ გაიზრდება, მაშინ ერთი მუტაცია იქნება სპონტანური. , დანარჩენი გამოწვეული.

მუტაგენეზის ფაქტორები.

საკანში მდებარეობიდან გამომდინარე, არსებობს გენეტიკური დაქრომოსომული მუტაციები . გენეტიკური, ან წერტილი, მუტაციები შედგება ცალკეული გენების შეცვლაში (ნუკლეოტიდების ერთი წყვილის დაკარგვა, ჩასმა ან ჩანაცვლება. ქრომოსომული მუტაციები არის რამდენიმე სახეობა დააფექტი:

ქრომოსომების სტრუქტურის ცვლილება (ძირითადი გადაკეთებები ცალკეულ დნმ-ის ფრაგმენტებში):

წაშლა (ნუკლეოტიდების რაოდენობის დაკარგვა);

დუბლირება (დნმ-ის ფრაგმენტების გამეორება, რაც იწვევს მის გახანგრძლივებას);

ინვერსიები (ქრომოსომების მონაკვეთის ბრუნვა 180 0-ით);

ტრანსლოკაცია (ქრომოსომის სეგმენტის გადატანა ახალ პოზიციაზე ამა თუ იმ ქრომოსომაში).

მუტაციებს, რომლებიც გავლენას ახდენენ ქრომოსომების სტრუქტურაზე, ე.წ ქრომოსომული გადაწყობები , ან აბერაციები.

ქრომოსომების რაოდენობის ცვლილება:

პოლიპლოიდი (ქრომოსომების მრავალჯერადი ნაკრების ზრდა);

ჰაპლოიდი (ქრომოსომების მთელი ნაკრების შემცირება);

ანევპლოიდი (ქრომოსომების ნორმალური რაოდენობის დარღვევა ერთი ან მეტი ქრომოსომის დამატების ან მოცილების გამო).

მუტაციებს, რომლებიც გავლენას ახდენენ სხეულის უჯრედების ქრომოსომების რაოდენობაზე, ე.წ გენომური . გენომი არის მოცემული სახეობის ორგანიზმის გენების მთლიანობა.

მუტაციური პროცესები ხდება არა მხოლოდ ადამიანებში, არამედ ცხოველებსა და მცენარეებშიც. ამიტომ, ჩვენ განვიხილავთ ზოგად შაბლონებს. ქრომოსომული აბერაციები გვხვდება მცენარეებში, ცხოველებსა და ადამიანებში. ისინი იწვევს ჯანმრთელობის პრობლემებს. პოლიპლოიდი უფრო ხშირია მცენარეებში, მაგრამ იშვიათია ცხოველებსა და ადამიანებში (ქრომოსომების რაოდენობა შეიძლება გაიზარდოს 3, 4, 5-ჯერ). ჰაპლოიდი ასევე გვხვდება ძირითადად მცენარეებში (მცენარის დაახლოებით 800 სახეობას აქვს ჰაპლოიდები), ცხოველებში ძალიან იშვიათია, ადამიანებში კი უცნობია. ანევპლოიდი გავრცელებულია მცენარეებში, ცხოველებსა და ადამიანებში. წაშლა ადამიანებისთვის ქრომოსომის დაზიანების ყველაზე ხშირი და საშიში ფორმებია. ზოგიერთი დუბლირება საზიანოა და ლეტალურიც კი. ქრომოსომის სეგმენტის გამეორება შეიძლება იყოს მცირე, გავლენას ახდენს ერთ გენზე, ან დიდი, გავლენას ახდენს გენების დიდ რაოდენობაზე. შეიძლება იყოს უვნებელი დუბლირება. ტრანსლოკაცია ხდება ქრომოსომის რღვევის შედეგად. მათი ზომა შეიძლება იყოს პატარადან დიდამდე.

მუტაციები შეიძლება შეუმჩნეველი დარჩეს, თუ ისინი გავლენას ახდენენ მემკვიდრეობითი სტრუქტურების მცირე უბნებზე, მაგრამ მათ შეუძლიათ გამოიწვიოს სერიოზული დარღვევები, ორგანიზმის სიკვდილამდე.

შედეგად მიღებული დნმ-ის დაზიანება სულაც არ არის რეალიზებული მუტაციაში. ისინი შეიძლება გაქრეს უკვალოდ, უჯრედში არსებული გენეტიკური დაზიანების (რეპარაციის) აღდგენის ეფექტური სისტემის წყალობით. მუტანტის გენის გამოვლინება შეიძლება ჩახშობილი იყოს სხვა გენის მოქმედებით. ამ შემთხვევაში მუტანტის გენი შეიძლება გადაეცეს თაობიდან თაობას და გამოვლინდეს მხოლოდ მაშინ, როცა ორი იდენტური მუტანტის გენი ხვდება ჩანასახოვან უჯრედში. ზოგიერთი მუტაცია ჩნდება მხოლოდ არსებობის გარკვეულ პირობებში. მაგალითად, მუტანტის მიკროორგანიზმების გაშენების გარკვეულ ტემპერატურაზე.

ბრინჯი. 1. ა - ფოტონის სპონტანური ემისია; ბ - სტიმულირებული ემისია; გ - რეზონანსული აბსორბცია; E1 და E2 არის ატომის ენერგეტიკული დონეები.

ატომი აღგზნებულ მდგომარეობაში აშეუძლია, გარკვეული პერიოდის შემდეგ, სპონტანურად, ყოველგვარი გარეგანი ზემოქმედების გარეშე, გადავიდეს უფრო დაბალი ენერგიით (ჩვენს შემთხვევაში, მთავარში), ჭარბი ენერგიის გამოყოფა ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სახით (ასხივებს ფოტონს. ენერგიით თ = ე 2 -ეერთი). ფოტონის გამოსხივების პროცესს აღგზნებული ატომით (აღგზნებული მიკროსისტემა) ყოველგვარი გარეგანი ზემოქმედების გარეშე ე.წ. სპონტანური(ან სპონტანური) რადიაცია. რაც უფრო დიდია სპონტანური გადასვლების ალბათობა, მით უფრო მოკლეა ატომის საშუალო სიცოცხლე აღგზნებულ მდგომარეობაში. ვინაიდან სპონტანური გადასვლები ურთიერთდაკავშირებულია, სპონტანური ემისია არათანმიმდევრულია.

1916 წელს ა. აინშტაინმა, რათა აეხსნა ექსპერიმენტულად დაკვირვებული თერმოდინამიკური წონასწორობა მატერიასა და მის მიერ გამოსხივებულ და შთანთქმულ გამოსხივებას შორის, დაადგინა, რომ შთანთქმის და სპონტანური გამოსხივების გარდა, უნდა არსებობდეს მესამე, თვისობრივად განსხვავებული ტიპის ურთიერთქმედება. თუ ატომი აღგზნებულ მდგომარეობაშია 2 გარე გამოსხივება მოქმედებს იმ სიხშირით, რომელიც აკმაყოფილებს მდგომარეობას ჰვ= ე 2 – ე 1 , შემდეგ წარმოიქმნება იძულებითი (გამოწვეული) გადასვლადასაბუთებულ მდგომარეობამდე 1 იმავე ენერგიის ფოტონის ემისიით ჰვ= ე 2 – ე 1 (სურ. 309, გ). ასეთ გადასვლაში ხდება ატომის გამოსხივება ფოტონი, სურვილისამებრფოტონს, რომლის ქვეშაც მოხდა გადასვლა. ასეთი გადასვლების შედეგად წარმოქმნილ გამოსხივებას ე.წ სტიმულირებული (გამოწვეული) გამოსხივება.ამრიგად, ორი ფოტონი მონაწილეობს სტიმულირებული ემისიის პროცესში: პირველადი ფოტონი, რომელიც იწვევს აღგზნებული ატომის გამოსხივების გამოსხივებას და მეორადი ფოტონი, რომელიც ასხივებს ატომს. მნიშვნელოვანია, რომ მეორადი ფოტონები განურჩეველიპირველადიდან, ყოფით მათი ზუსტი ასლი.

7 როგორ მუშაობს ლაზერი

ლაზერიმოწყობილობა, რომელიც გარდაქმნის ტუმბოს ენერგიას (მსუბუქი, ელექტრო, თერმული, ქიმიური და ა.შ.) თანმიმდევრული, მონოქრომატული, პოლარიზებული და ვიწრო მიმართული რადიაციული ნაკადის ენერგიად.

ლაზერის მუშაობის ფიზიკური საფუძველი არის სტიმულირებული (გამოწვეული) გამოსხივების კვანტური მექანიკური ფენომენი. ლაზერის სხივი შეიძლება იყოს უწყვეტი, მუდმივი ამპლიტუდით, ან იმპულსური, მიაღწიოს უკიდურესად მაღალ პიკს. ზოგიერთ სქემაში, ლაზერის სამუშაო ელემენტი გამოიყენება როგორც ოპტიკური გამაძლიერებელი სხვა წყაროდან გამოსხივებისთვის. არსებობს ლაზერების მრავალი სახეობა, რომლებიც იყენებენ მატერიის ყველა საერთო მდგომარეობას, როგორც სამუშაო გარემოს.

ლაზერის მოქმედების ფიზიკური საფუძველი არის სტიმულირებული (გამოწვეული) გამოსხივების ფენომენი. ფენომენის არსი მდგომარეობს იმაში, რომ აღგზნებულ ატომს შეუძლია სხვა ფოტონის გავლენის ქვეშ ასხივოს ფოტონი მისი შთანთქმის გარეშე, თუ ამ უკანასკნელის ენერგია უდრის ატომის დონეების ენერგიების განსხვავებას ატომის დონემდე და მის შემდეგ. რადიაცია. ამ შემთხვევაში, გამოსხივებული ფოტონი თანმიმდევრულია იმ ფოტოსთან, რომელმაც გამოსხივება გამოიწვია (ეს არის მისი „ზუსტი ასლი“). ასე ხდება შუქის გაძლიერება. ეს ფენომენი განსხვავდება სპონტანური ემისიისგან, რომლის დროსაც გამოსხივებულ ფოტონებს აქვთ გავრცელების, პოლარიზაციის და ფაზის შემთხვევითი მიმართულება. ალბათობა იმისა, რომ შემთხვევითი ფოტონი გამოიწვევს აღგზნებული ატომის ინდუცირებულ გამოსხივებას, ზუსტად უდრის ამ ფოტონის შთანთქმის ალბათობას. ატომი აუღელვებელ მდგომარეობაში. ამიტომ სინათლის გასაძლიერებლად აუცილებელია, რომ გარემოში იყოს უფრო მეტი აღგზნებული ატომები, ვიდრე აუგზნებელი (ე.წ. პოპულაციის ინვერსია). თერმოდინამიკური წონასწორობის მდგომარეობაში ეს პირობა არ არის დაკმაყოფილებული, ამიტომ სხვადასხვა სისტემები გამოიყენება ლაზერული აქტიური გარემოს დასატუმბლად ( ოპტიკური, ელექტრო, ქიმიურიდა ა.შ.).

წარმოქმნის პირველადი წყარო სპონტანური ემისიის პროცესია, შესაბამისად, ფოტონების თაობათა უწყვეტობის უზრუნველსაყოფად აუცილებელია დადებითი გამოხმაურება, რის გამოც გამოსხივებული ფოტონები იწვევენ სტიმულირებული ემისიის შემდგომ აქტებს. ამისათვის ლაზერული აქტიური გარემო მოთავსებულია ოპტიკურ რეზონატორში. უმარტივეს შემთხვევაში, იგი შედგება ორი სარკისგან, რომელთაგან ერთი გამჭვირვალეა - ლაზერის სხივი ნაწილობრივ გამოდის რეზონატორიდან მისი მეშვეობით. სარკეებიდან ასახული გამოსხივების სხივი არაერთხელ გადის რეზონატორში, რაც იწვევს მასში ინდუცირებულ გადასვლებს. გამოსხივება შეიძლება იყოს უწყვეტი ან პულსირებული. ამავდროულად, სხვადასხვა მოწყობილობების გამოყენებით (მბრუნავი პრიზმები, კერის უჯრედებიდა ა.შ.) უკუკავშირის სწრაფად გამორთვისა და ჩართვის და ამით პულსის პერიოდის შესამცირებლად, შესაძლებელია შეიქმნას პირობები ძალიან მაღალი სიმძლავრის გამოსხივების წარმოქმნისთვის (ე.წ. გიგანტური იმპულსები). ლაზერული მუშაობის ამ რეჟიმს მოდულირებული რეჟიმი ეწოდება. ხარისხის ფაქტორი.

ლაზერის მიერ წარმოქმნილი გამოსხივება არის მონოქრომატული (ერთჯერადი ან დისკრეტული ნაკრები ტალღის სიგრძე), ვინაიდან გარკვეული ტალღის სიგრძის ფოტონის ემისიის ალბათობა უფრო მეტია ვიდრე მჭიდროდ მდებარე სპექტრული ხაზის, რომელიც ასოცირდება სპექტრული ხაზის გაფართოებასთან და, შესაბამისად, ამ სიხშირეზე ინდუცირებული გადასვლების ალბათობას ასევე აქვს მაქსიმუმი. ამიტომ, თანდათანობით წარმოქმნის პროცესში, მოცემული ტალღის სიგრძის ფოტონები დომინირებენ ყველა სხვა ფოტოზე. გარდა ამისა, სარკეების სპეციალური მოწყობის გამო, მხოლოდ ის ფოტონები, რომლებიც ვრცელდება რეზონატორის ოპტიკური ღერძის პარალელურად, მისგან მცირე მანძილზე, ინახება ლაზერის სხივში, დანარჩენი ფოტონები სწრაფად ტოვებენ რეზონატორის მოცულობას. . ამრიგად, ლაზერის სხივს აქვს ძალიან მცირე განსხვავების კუთხე ] . საბოლოოდ, ლაზერის სხივს აქვს მკაცრად განსაზღვრული პოლარიზაცია. ამისათვის რეზონატორში შეჰყავთ სხვადასხვა პოლაროიდები, მაგალითად, ისინი შეიძლება იყოს ბრტყელი მინის ფირფიტები, რომლებიც დამონტაჟებულია ბრუსტერის კუთხით ლაზერის სხივის გავრცელების მიმართულებით.

ატომები და მოლეკულები არიან გარკვეულ ენერგეტიკულ მდგომარეობებში, არიან გარკვეულ ენერგეტიკულ დონეზე. იმისათვის, რომ იზოლირებულმა ატომმა შეცვალოს ენერგეტიკული მდგომარეობა, მან ან უნდა შთანთქოს ფოტონი (მიიღოს ენერგია) და გადავიდეს უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე, ან ასხივოს ფოტონი და გადავიდეს დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში.

თუ ატომი აღგზნებულ მდგომარეობაშია, მაშინ არის გარკვეული ალბათობა, რომ გარკვეული დროის შემდეგ ის გადავა დაბალ მდგომარეობაში და გამოყოფს ფოტონს. ამ ალბათობას ორი კომპონენტი აქვს – მუდმივი და „ცვლადი“.

თუ არ არის ელექტრომაგნიტური ველი იმ რეგიონში, სადაც აღგზნებული ატომი მდებარეობს, მაშინ ატომის ქვედა მდგომარეობაზე გადასვლის პროცესი, რომელსაც თან ახლავს ფოტონის გამოსხივება და ხასიათდება გარდამავალი ალბათობის მუდმივი კომპონენტით, ე.წ. სპონტანური გამოსხივება.

სპონტანური ემისია არ არის თანმიმდევრული, რადგან სხვადასხვა ატომები ასხივებენ ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად. თუ ატომზე გარე ელექტრომაგნიტური ველი მოქმედებს გამოსხივებული ფოტონის სიხშირის ტოლი სიხშირით, მაშინ ატომის სპონტანური გადასვლის პროცესი ქვედა ენერგეტიკულ მდგომარეობაში გრძელდება ისევე, როგორც ადრე, ხოლო ატომის მიერ გამოსხივებული გამოსხივების ფაზა გრძელდება. არ არის დამოკიდებული გარე ველის ფაზაზე.

ამასთან, გარე ელექტრომაგნიტური ველის არსებობა გამოსხივებული ფოტონის სიხშირის ტოლი სიხშირით იწვევს ატომებს გამოსხივებისკენ, ზრდის ატომის უფრო დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში გადასვლის ალბათობას. ამ შემთხვევაში, ატომის გამოსხივებას აქვს იგივე სიხშირე, გავრცელების მიმართულება და პოლარიზაცია, როგორც იძულებითი გარე გამოსხივება. ატომების გამოსხივება იქნება ცალკე ფაზის მდგომარეობაში გარე ველით, ანუ ის იქნება თანმიმდევრული. ასეთ გამოსხივების პროცესს ეწოდება ინდუცირებული (ან იძულებითი) და ხასიათდება "ცვლადი" ალბათობის კომპონენტით (რაც უფრო დიდია, მით მეტია გარე ელექტრომაგნიტური ველის ენერგიის სიმკვრივე). ვინაიდან ელექტრომაგნიტური ველის ენერგია იხარჯება გადასვლის სტიმულირებაზე, გარე ველის ენერგია იზრდება გამოსხივებული ფოტონების ენერგიის რაოდენობით. ეს პროცესები მუდმივად მიმდინარეობს ჩვენს ირგვლივ, ვინაიდან სინათლის ტალღები ყოველთვის ურთიერთქმედებენ მატერიასთან.

თუმცა, საპირისპირო პროცესებიც ხდება. ატომები შთანთქავენ ფოტონებს და აღგზნდებიან, ხოლო ელექტრომაგნიტური ველის ენერგია მცირდება შთანთქმის ფოტონების ენერგიით. ბუნებაში არის ბალანსი ემისიისა და შთანთქმის პროცესებს შორის, შესაბამისად, საშუალოდ, ჩვენს ირგვლივ ბუნებაში არ ხდება ელექტრომაგნიტური ველის გაძლიერების პროცესი.

მოდით, ორდონიანი სისტემა გვქონდეს.

გადასვლის სქემა ორ დონის სისტემაში

N2არის ატომების რაოდენობა მოცულობის ერთეულზე აღგზნებულ მდგომარეობაში 2. N1- აუგზნებულ მდგომარეობაში 1.

dN2 = - A21 N2 dt,

ატომების რაოდენობა მოცულობის ერთეულზე, რომლებმაც დატოვეს მდგომარეობა 2. A21არის ინდივიდუალური ატომის სპონტანური გადასვლის ალბათობა მე-2 მდგომარეობიდან 1-ში. ინტეგრაციის შემდეგ ვიღებთ

N2 = N20eA21t,

სადაც N20არის ატომების რაოდენობა მე-2 მდგომარეობაში ერთდროულად t = 0. სპონტანური ემისიის ინტენსივობა icუდრის

Ic = (hμ21 dN2) / dt = hμ21 A21 N2 = hμ21 A21 N20 e – A21t,

სპონტანური ემისიის ინტენსივობა ექსპონენტურად მცირდება.

ატომების რაოდენობა, რომლებიც ტოვებენ მდგომარეობას 2-დან დროში ტადრე t+dt, უდრის A21 N2dt, ანუ ეს არის ატომების რაოდენობა, რომლითაც ცხოვრობდა დრო ტმდგომარეობა 2. აქედან გამომდინარე სიცოცხლის საშუალო ხანგრძლივობა τ ატომი მე-2 მდგომარეობაში არის

τ = (1 / N20) 21 N2 tdt = A21 e-A21t

dt = (1 / A21)τ = 1 / A21

Ic = hμ21 A21 N20 e – A21t = (hμ21 N20 / τ) e

ინდუცირებული გადასვლის ალბათობა W21 2 – 1 პროპორციულია ელექტრომაგნიტური ველის სპექტრული ენერგიის სიმკვრივისა ρν გადასვლის სიხშირეზე, ანუ

W21 = B21

B21არის აინშტაინის სტიმულირებული ემისიის კოეფიციენტი.

გადასვლის ალბათობა 1-2

W12 = B12 ρv,

ρν = (8πhμ321 / c3) (1 / e -1)პლანკის ფორმულა.