emisie spontană.

Luați în considerare în unele medii două niveluri de energie 1 și 2 cu energii și (< ).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):

Acea. emisie spontană caracterizată prin emisia unui foton cu energie - când un atom trece de la nivelul 2 la 1. (Fig.)

Probabilitatea de emisie spontană poate fi determinată după cum urmează. Să presupunem că în momentul de timp t la nivelul 2 există atomi în unitate de volum. Rata de tranziție ( /dt)spont. Acești atomi, ca rezultat al emisiei spontane la cel mai scăzut nivel, sunt în mod evident proporționali cu . Prin urmare, putem scrie:

( /dt)spont. =A(2)

Factorul A reprezintă probabilitatea de emisie spontană și se numește coeficient. Einstein A. Valoarea \u003d 1 \ A se numește durata de viață spontană. Valoarea numerică a lui A () depinde de tranziția specifică implicată în radiație.

emisie forțată.

Să presupunem că atomul nah. o undă electromagnetică cu o frecvență definită prin expresia (1) - \h (adică cu o frecvență egală cu frecvența unei unde emise spontan) cade pe nivelurile 2 și pe o substanță.Deoarece frecvențele undei incidente și radiațiile asociate cu o tranziție atomică sunt egale între ele , există o probabilitate finită ca unda incidentă să provoace o tranziție de la 2 → 1. În acest caz, diferența de energie - va fi eliberată sub forma unei undă electrică, care va fi adăugat la cel incident.Acesta este fenomenul unei tranziţii forţate.

Există o diferență semnificativă între procesele de emisie spontană și cea stimulată. În cazul emisiei spontane, un atom emite o undă electromagnetică, a cărei fază nu are nicio legătură certă cu faza undei emise de un alt atom. Mai mult, unda emisă poate avea orice direcție de propagare. În cazul emisiei stimulate, întrucât procesul este inițiat de unda de intrare, la această undă se adaugă radiația oricărui atom în aceeași fază. Unda incidentă determină și direcția de propagare a undei emise. Procesul de emisie stimulată poate fi descris folosind ecuația:

( /dt)cont.= (3)

Unde (/dt)vyv.- viteza tranziției 2 → 1 datorită radiației stimulate și.Ca și coe-t A determinat prin expresia (2), are și dimensiunea (timp) ^-1.Totuși, spre deosebire de A, depinde nu numai de o anumită tranziție, ci și de intensitatea undei electromagnetice incidente.Mai precis, pentru o undă plană, se poate scrie:

unde F este densitatea fluxului de fotoni în unda incidentă, este o valoare care are dimensiunea zonei (secțiunea transversală a emisiei stimulate) și depinde de caracteristicile tranziției date.

4. Absorbție.Coeficienți de absorbție.

Să presupunem că atomul este inițial la nivelul 1. Dacă acesta este nivelul principal, atunci atomul va rămâne la el până când este afectat de o perturbare externă. Lasă o undă electromagnetică să lovească substanța cu o frecvență determinată de expresie : 2 - E 1 )/ h.

În acest caz, există o probabilitate finită ca atomul să ajungă la nivelul superior 2. Diferența de energie E 2 - E 1 , necesar atomului pentru a face tranziția, este luat din energia undei electromagnetice incidente. Acesta este procesul de absorbție. Prin analogie cu (dN 2 / dt ) Ieșire = - W 21 N 2 probabilitatea de preluare W 12 este determinată de ecuația: dN 1 / dt = - W 12 N 1 , Unde N 1 este numărul de atomi pe unitatea de volum care se află în prezent la nivelul 1. În plus, la fel ca în expresie W 21 = 21 F , poti sa scrii: W 12 = 12 F . Aici 12 o anumită zonă (secțiune transversală de absorbție), care depinde doar de o anumită tranziție. Să presupunem acum că fiecărui atom i se poate atribui o secțiune transversală eficientă de absorbție a fotonului A în sensul că dacă un foton intră în această secțiune transversală, acesta va fi absorbit de atom. Dacă aria secțiunii transversale a unei unde electromagnetice într-un mediu este notă cu S , apoi numărul de atomi ai mediului iluminat de val într-un strat de grosime dz egală N 1 Sdz iar apoi secțiunea transversală de absorbție totală va fi egală cu A N 1 Sdz . Prin urmare, modificarea relativă a numărului de fotoni ( dF / F ) într-un strat de grosime dz mediul este: dF / F = - A N 1 Sdz / S . Este clar că = A , astfel încât mărimii i se poate da sensul secțiunii transversale de absorbție efectivă. Interacțiunea radiației cu materia poate fi descrisă diferit prin definirea coeficientului folosind expresia: = ( N 1 – N 2 ). În cazul în care un N 1 > N 2 , atunci valoarea se numește coeficient de absorbție. Coeficientul de absorbție poate fi găsit ca: (2 2 /3 n 0 c 0 h )( N 1 – N 2 ) 2 g t ( ) . Deoarece depinde de populațiile celor două niveluri, acesta nu este parametrul cel mai potrivit pentru descrierea interacțiunii în cazurile în care populațiile de nivel se modifică, ca într-un laser, de exemplu. Cu toate acestea, avantajul acestui parametru este că poate fi măsurat direct. Într-adevăr, dF = - fdz . Prin urmare, raportul dintre densitatea fluxului de fotoni care a trecut în mediu la o adâncime l , densitatea fluxului de fotoni incident este egală cu F ( l )/ F (0)= exp (- l ) . Măsurătorile experimentale ale acestui raport folosind radiații suficient de monocromatice dau o valoare pentru acea lungime de undă particulară a luminii incidente. Secțiunea transversală de tranziție corespunzătoare este obținută din expresie = ( N 1 – N 2 ) , dacă se cunosc non-decontări N 1 și N 2 . Dispozitivul de măsurare a coeficientului de absorbție se numește spectrofotometru de absorbție.

Bouguer - Lambert - Legea berii- o lege fizică care determină atenuarea unui fascicul de lumină monocromatic paralel atunci când acesta se propagă într-un mediu absorbant.

Legea se exprimă prin următoarea formulă:

unde I0 este intensitatea fasciculului de intrare, l este grosimea stratului de material prin care trece lumina, kλ este coeficientul de absorbție (a nu se confunda cu indicele de absorbție adimensional κ, care este legat de kλ prin formula kλ = 4πκ / λ, unde λ este lungimea de undă).

Indicele de absorbție caracterizează proprietățile unei substanțe și depinde de lungimea de undă λ a luminii absorbite. Această dependență se numește spectrul de absorbție al substanței.

Tranziția unui sistem excitat (atom, moleculă) de la nivelurile superioare de energie la cele inferioare poate avea loc fie spontan, fie indus.

Spontană se numește tranziție spontană (independentă), datorită doar factorilor care funcționează în cadrul sistemului și inerenți acestuia. Acești factori determină timpul mediu de rezidență al sistemului în stare excitată; conform relației Heisenberg (vezi § 11),

Teoretic, această dată poate avea valori diferite în cadrul:

adică, depinde de proprietățile sistemului - răspândirea valorilor energiei stării excitate (caracteristica sistemului este de obicei luată ca valoare medie a timpului petrecut în stări excitate, în funcție de media De asemenea, trebuie luat în considerare impactul asupra sistemului spațiului înconjurător („vidul fizic”), în care chiar și în absența undelor electromagnetice, există, conform teoriei cuantice, un câmp fluctuant („fluctuații de vid”). ”); acest câmp poate stimula tranziția sistemului excitat la niveluri inferioare și ar trebui inclus printre factorii inamovibili care provoacă tranziții spontane.

Indusă este o tranziție forțată (stimulată) la o stare energetic inferioară, cauzată de o influență externă asupra sistemului excitat: ciocniri termice, interacțiune cu particulele învecinate sau o undă electromagnetică care trece prin sistem. Totuși, în literatura de specialitate s-a stabilit o definiție mai restrânsă: o tranziție indusă se numește tranziție cauzată doar de o undă electromagnetică, în plus, de aceeași frecvență care este emisă de sistem în timpul acestei tranziții (câmpurile altor frecvențe nu vor rezona cu oscilațiile naturale ale sistemului,

prin urmare efectul lor stimulator va fi slab). Întrucât „purtătorul” câmpului electromagnetic este un foton, din această definiție rezultă că, cu radiații induse, un foton extern stimulează nașterea unui nou foton de aceeași frecvență (energie).

Să luăm în considerare cele mai importante caracteristici ale tranzițiilor spontane și induse folosind un exemplu simplu idealizat. Să presupunem că într-un volum V cu pereți în oglindă există sisteme identice (atomi, molecule), din care, la momentul inițial fixat de timp, o parte este transferată într-o stare excitată cu energie, excesul total de energie din acest volum. va fi egal cu. Pentru tranzițiile spontane, este caracteristic:

1) procesul de tranziție a sistemelor excitate la stări normale (adică, radiația excesului de energie este extinsă în timp. Unele sisteme sunt într-o stare excitată pentru o perioadă scurtă de timp; pentru altele, acest timp este mai lung. Prin urmare, fluxul ( puterea) radiației se va modifica în timp, va atinge un maxim într-un moment și apoi va scădea asimptotic la zero. Valoarea medie a fluxului de radiație va fi egală cu

2) momentul în care începe radiația unui sistem, iar locația acestui sistem nu are nicio legătură cu momentul radiației și cu locația celuilalt, adică nu există nicio „coerență” (corelație) între sistemele radiante. în spațiu sau în timp. Tranzițiile spontane sunt procese complet aleatorii, împrăștiate în timp, pe volumul mediului și în toate direcțiile posibile; planurile de polarizare și radiația electromagnetică din diferite sisteme au o răspândire probabilistică, astfel încât emițătorii înșiși nu sunt surse de unde coerente.

Pentru a caracteriza tranzițiile induse, să presupunem că un foton cu o energie exact egală este introdus în momentul de timp considerat în volumul V. Există o oarecare probabilitate ca acest foton să fie absorbit de acesta în timpul uneia dintre coliziunile cu sistem neexcitat; această probabilitate va fi luată în considerare mai jos într-un caz mai general (când sistemele luate în considerare interacționează cu un gaz fotonic în volumul V). Vom presupune că fotonul nu este absorbit, este reflectat de multe ori de pereții vasului și, în ciocniri cu sistemele excitate, stimulează emisia acelorași fotoni, adică provoacă tranziții induse. Cu toate acestea, fiecare foton nou care apare în timpul acestor tranziții va excita și tranzițiile induse. Deoarece vitezele fotonilor sunt mari și dimensiunile volumului V sunt mici, va fi nevoie de un timp foarte scurt pentru ca toate sistemele excitate prezente în momentul inițial să fie forțate să intre în starea normală. Prin urmare, tranzițiile induse se caracterizează prin următoarele:

1) timpul necesar pentru emisia de energie în exces poate fi controlat și făcut foarte mic, astfel încât fluxul de radiație poate fi foarte mare;

2) în plus, fotonul care a provocat tranziția și fotonul de aceeași energie (frecvență) care a apărut în timpul acestei tranziții sunt în aceeași fază, au aceeași polarizare și direcție de mișcare. Prin urmare, undele electromagnetice generate de radiația indusă sunt coerente.

Cu toate acestea, nu fiecare ciocnire a unui foton cu un sistem excitat duce la tranziția acestuia la starea normală, adică probabilitatea unei tranziții induse în fiecare „act de interacțiune” a unui foton cu sistemul nu este egală cu unitatea. Să notăm această probabilitate prin Să presupunem că la un moment dat de timp există fotoni în volumul V și fiecare dintre ei, în medie, poate avea ciocniri pe unitatea de timp. Atunci numărul de tranziții induse pe unitatea de timp și, prin urmare, numărul de fotoni care apar în volumul V va fi egal cu

Să notăm numărul de sisteme excitate din volumul V Numărul de ciocniri de fotoni cu sistemele excitate va fi proporțional cu concentrația unor astfel de sisteme, adică atunci poate fi exprimat în funcție de:

unde shind ia în considerare toți ceilalți factori, cu excepția numărului de fotoni și a numărului de sisteme excitate

Creșterea numărului de fotoni în volumul V se va produce și datorită emisiei spontane. Probabilitatea unei tranziții spontane este reciproca timpului mediu de rezidență într-o stare excitată.De aceea, numărul de fotoni care apar pe unitatea de timp din cauza tranzițiilor spontane va fi egal cu

Scăderea numărului de fotoni din volumul V va avea loc ca urmare a absorbției acestora de către sistemele neexcitate (în acest caz, numărul de sisteme excitate va crește). Deoarece nu orice „act de interacțiune” al unui foton cu un sistem este însoțit de absorbție, probabilitatea de absorbție ar trebui introdusă.

Să găsim diferența dintre intensitățile proceselor de emisie și absorbție a fotonilor, adică procesele de tranziție a sistemelor de la niveluri superioare la niveluri inferioare și invers:

În funcție de valoarea din volumul considerat, pot apărea următoarele modificări;

1) dacă atunci în acest volum se va produce o scădere treptată a densității gazului fotonic, adică absorbția energiei radiante. O condiție necesară pentru aceasta este o concentrație scăzută de sisteme excitate:

2) dacă atunci se stabilește o stare de echilibru în sistem la o anumită concentrație specifică de sisteme excitate și o densitate de energie radiantă;

3) dacă (ceea ce este posibil la valori mari, atunci în volumul luat în considerare va exista o creștere a densității gazului fotonic (energie radiantă).

Este evident că o scădere sau creștere a energiei radiației va avea loc nu numai într-un volum izolat cu pereți reflectorizați, ci și în cazul în care fluxul de energie radiantă monocromatică (fluxul de fotoni cu o frecvență se propagă într-un mediu care conține particule excitate cu exces de energie

Să găsim modificarea relativă a numărului de fotoni pe foton și pe sistem; folosind (2.86), (2.83), (2.84) și (2.85), obținem

Rețineți că în starea de echilibru (care este posibilă numai la o temperatură pozitivă conform formulei (2.42) dată în § 12, raportul este egal cu

Funcția de partiție la numitor constă în acest caz doar din doi termeni, corespunzători: 1) sisteme în stări normale cu energie și 2) sisteme excitate cu energie Din această formulă rezultă că la o temperatură pozitivă infinit de mare Aceasta înseamnă că prin creșterea temperatura este imposibil să se realizeze o stare în care numărul sistemelor excitate să fie mai mare decât numărul celor neexcitate. a fost mai mare decât Mneexc, adică este necesar ca numărul de fotoni care apar în timpul tranzițiilor la niveluri inferioare să fie mai mare decât numărul de fotoni absorbiți în același timp). S-a subliniat mai sus că o astfel de stare nu poate fi atinsă prin creșterea temperaturii. Prin urmare, pentru a obține un mediu capabil să amplifice fluxul radiant care trece prin acesta, este necesar să se utilizeze alte metode (non-temperatură) de excitare a atomilor și moleculelor.

Se poate demonstra că poate exista mai mult (adică N) doar la o temperatură negativă, adică într-o stare de neechilibru a mediului în cauză. Dacă, în plus, această stare de dezechilibru este metastabilă (vezi Partea II, § 3), atunci este posibil, cu ajutorul unei influențe externe adecvate, să se provoace o tranziție bruscă la starea de echilibru prin eliberarea de energie în exces într-un timp foarte scurt. Această idee stă la baza funcționării laserelor.

Starea mediului, în care nivelurile superioare de energie au factori de umplere mari în comparație cu cele inferioare, se numește inversiune. Întrucât în ​​această stare mediul nu se atenuează, ca de obicei, ci intensifică radiația care trece prin el, în formula de modificare a intensității fluxului radiant în mediu

coeficientul va fi o valoare negativă (deci exponentul este o valoare pozitivă). Având în vedere acest lucru, un mediu în stare de inversare este numit mediu cu un indice de absorbție negativ. Posibilitatea obținerii unor astfel de medii, proprietățile și utilizarea lor pentru amplificarea radiației optice au fost stabilite și dezvoltate de V. A. Fabrikant și asociații săi (1939-1951).

Mutații (din latinescul mutatio - schimbare) este o modificare a genelor și cromozomilor, manifestată printr-o modificare a proprietăților și caracteristicilor organismelor. Ele au fost descrise în 1901 de omul de știință olandez De Vries. El a pus, de asemenea, bazele teoriei mutațiilor. Procesul de formare a mutațiilor în timp și spațiu se numește mutageneza . Substanțe care provoacă mutații în celule mutageni.

În funcție de origine, se disting mutațiile spontane și induse.

Mutații generative și somatice.

Mutațiile pot apărea în toate etapele de dezvoltare ale unui organism și afectează genele și cromozomii atât în ​​celulele germinale, cât și în celulele somatice. Prin urmare, mutațiile generative și somatice se disting după tipul de celule. mutații generative apar în celulele germinale și în acest caz sunt transmise generațiilor următoare. Mutații somatice apar în orice alte celule somatice ale corpului; provoacă cancer, perturbă sistemul imunitar, reduc speranța de viață. Mutațiile somatice nu sunt moștenite. Majoritatea agenților cancerigeni provoacă mutații în celulele somatice.

Mutații spontane și induse.

Spontan mutații (modificare spontană în totalitatea genelor unui organism dintr-o anumită specie) - acele mutații care apar în organisme în condiții naturale normale fără un motiv aparent; ele apar ca erori în reproducerea materialului genetic, deoarece reduplicarea nu are loc cu o acuratețe absolută. Multă vreme s-a crezut că mutațiile spontane sunt fără cauză. Acum au ajuns la concluzia că sunt rezultatul proceselor naturale care au loc în celule. Ele apar în condițiile fondului radioactiv natural al Pământului sub formă de radiații cosmice, elemente radioactive de pe suprafața Pământului, radionuclizi în celulele organismelor. Mutația spontană poate apărea în orice moment în dezvoltarea unui individ și poate afecta orice cromozom sau genă. Frecvența de apariție a mutațiilor spontane, de exemplu, 1:100000.

induse Mutațiile apar ca urmare a acțiunii mutagenilor care perturbă procesele care au loc în celulă.

Dacă comparăm frecvența mutațiilor spontane și induse în celulele organismelor cu și fără tratament cu un mutagen, este evident că dacă frecvența mutațiilor crește de 100 de ori ca urmare a expunerii la un mutagen, atunci o mutație va fi spontană, restul indus.

factori de mutageneza.

În funcție de locația în celulă, există genetic șicromozomiale mutatii . genetic, sau punctual, mutațiile constau în schimbarea genelor individuale (pierderea, inserarea sau înlocuirea unei perechi de nucleotide. Mutații cromozomiale există mai multe tipuri şia afecta:

modificarea structurii cromozomilor (rearanjamente majore în fragmente individuale de ADN):

Deleții (pierderea numărului de nucleotide);

Duplicări (repetarea fragmentelor de ADN, având ca rezultat alungirea acestuia);

Inversări (rotația unei secțiuni de cromozomi cu 180 0);

Translocări (transferul unui segment al unui cromozom într-o nouă poziție într-unul sau altul cromozom).

Se numesc mutații care afectează structura cromozomilor rearanjamente cromozomiale , sau aberatii.

modificarea numărului de cromozomi:

Poliploidie (o creștere a setului multiplu de cromozomi);

Haploidie (reducerea întregului set de cromozomi);

Aneuploidie (încălcarea numărului normal de cromozomi din cauza adăugării sau îndepărtarii unuia sau mai multor cromozomi).

Mutațiile care afectează numărul de cromozomi din celulele corpului sunt numite genomic . Genomul este totalitatea genelor unui organism dintr-o specie dată.

Procesele de mutație apar nu numai la oameni, ci și la animale și plante. Prin urmare, luăm în considerare modele generale. Aberațiile cromozomiale se găsesc la plante, animale și oameni. Ele duc la probleme de sănătate. Poliploidia este mai frecventă la plante, dar rară la animale și la om (numărul de cromozomi poate crește de 3, 4, 5 ori). Haploidia se găsește mai ales la plante (aproximativ 800 de specii de plante au haploide), la animale este foarte rară și este necunoscută la om. Aneuploidia este frecventă la plante, animale și oameni. Delețiile sunt cele mai frecvente și periculoase forme de afectare a cromozomilor pentru oameni. Unele duplicări sunt dăunătoare și chiar letale. Repetarea unui segment de cromozom poate fi mică, afectând o singură genă, sau mare, afectând un număr mare de gene. Pot exista dublări inofensive. Translocațiile apar ca urmare a ruperii cromozomilor. Ele pot varia în mărime de la mic la mare.

Mutațiile pot trece neobservate dacă afectează zone minore ale structurilor ereditare, dar pot duce la tulburări grave, până la moartea organismului.

Deteriorarea rezultată a ADN-ului nu este neapărat realizată într-o mutație. Ele pot dispărea fără urmă, datorită sistemului eficient de refacere (reparare) a daunelor genetice existente în celulă. Manifestarea unei gene mutante poate fi suprimată prin acțiunea unei alte gene. În acest caz, gena mutantă poate fi transmisă din generație în generație și se poate manifesta numai atunci când două gene mutante identice se întâlnesc în celula germinativă. Unele mutații apar doar în anumite condiții de existență. De exemplu, la o anumită temperatură de cultivare a microorganismelor mutante.

Orez. 1. a - emisia spontană a unui foton; b - emisie stimulată; c - absorbtie rezonanta; E1 și E2 sunt nivelurile de energie ale atomului.

Un atom în stare excitată A, poate, după o anumită perioadă de timp, spontan, fără influențe exterioare, să intre într-o stare cu o energie mai mică (în cazul nostru, în cea principală), eliberând surplus de energie sub formă de radiație electromagnetică (emițând un foton). cu energie h = E 2 – E unu). Procesul de emisie a unui foton de către un atom excitat (microsistem excitat) fără influențe externe se numește spontan(sau spontan) radiatii. Cu cât probabilitatea de tranziții spontane este mai mare, cu atât durata medie de viață a unui atom în stare excitată este mai scurtă. Deoarece tranzițiile spontane nu sunt legate reciproc, emisia spontană este incoerentă.

În 1916, A. Einstein, pentru a explica echilibrul termodinamic observat experimental între materie și radiația emisă și absorbită de aceasta, a postulat că, pe lângă absorbție și radiația spontană, trebuie să existe un al treilea tip de interacțiune, calitativ diferit. Dacă un atom este în stare excitată 2 , radiația externă acționează cu o frecvență care satisface condiția hv= E 2 – E 1 , apoi apare tranziție forțată (indusă). la starea fundamentală 1 cu emisia unui foton de aceeași energie hv= E 2 – E 1 (Fig. 309, c). Într-o astfel de tranziție, are loc radiația de către un atom foton, opțional la fotonul sub care s-a produs tranziția. Radiația rezultată din astfel de tranziții se numește radiații stimulate (induse). Astfel, în procesul de emisie stimulată sunt implicați doi fotoni: fotonul primar, care provoacă emisia de radiații de către atomul excitat, și fotonul secundar, emis de atom. Este important ca fotonii secundari de nedistins din primar, fiinţă o copie exactă a acestora.

7 Cum funcționează laserul

Laser un dispozitiv care transformă energia pompei (luminoasă, electrică, termică, chimică etc.) în energia unui flux de radiație coerent, monocromatic, polarizat și îngust direcționat.

Baza fizică a funcționării laserului este fenomenul mecanic cuantic al radiației stimulate (induse). Fasciculul laser poate fi continuu, cu amplitudine constanta, sau pulsat, atingand puteri de varf extrem de mari. În unele scheme, elementul de lucru al laserului este folosit ca amplificator optic pentru radiația dintr-o altă sursă. Există un număr mare de tipuri de lasere care folosesc toate stările agregate ale materiei ca mediu de lucru.

Baza fizică a funcționării laserului este fenomenul de radiație stimulată (indusă). Esența fenomenului este că un atom excitat este capabil să emită un foton sub influența altui foton fără absorbția acestuia, dacă energia acestuia din urmă este egală cu diferența de energii ale nivelurilor atomului înainte și după radiatii. În acest caz, fotonul emis este coerent cu fotonul care a provocat radiația (este „copia exactă”). Așa este amplificată lumina. Acest fenomen diferă de emisia spontană, în care fotonii emiși au o direcție aleatorie de propagare, polarizare și fază.Probabilitatea ca un foton aleator să provoace emisia indusă a unui atom excitat este exact egală cu probabilitatea de absorbție a acestui foton de către un atom într-o stare neexcitată. Prin urmare, pentru a amplifica lumina, este necesar ca în mediu să existe mai mulți atomi excitați decât cei neexcitați (așa-numita inversare a populației). În starea de echilibru termodinamic, această condiție nu este satisfăcută, prin urmare, sunt utilizate diferite sisteme pentru pomparea mediului activ laser ( optic, electric, chimic si etc.).

Sursa primară de generare este procesul de emisie spontană, prin urmare, pentru a asigura continuitatea generării de fotoni, este necesar să existe un feedback pozitiv, datorită căruia fotonii emiși provoacă acte ulterioare de emisie stimulată. Pentru a face acest lucru, mediul activ laser este plasat într-un rezonator optic. În cel mai simplu caz, este format din două oglinzi, dintre care una este translucidă - fasciculul laser iese parțial din rezonator prin el. Reflectându-se din oglinzi, fasciculul de radiații trece în mod repetat prin rezonator, provocând tranziții induse în acesta. Radiația poate fi continuă sau pulsată. În același timp, folosind diverse dispozitive (rotative prisme, celule Kerr etc.) pentru a opri și a porni rapid feedback-ul și, prin urmare, a reduce perioada pulsului, este posibil să se creeze condiții pentru generarea de radiații de putere foarte mare (așa-numita impulsuri gigantice). Acest mod de operare cu laser se numește modul modulat. factor de calitate.

Radiația generată de laser este monocromatică (set unic sau discret lungimi de undă), întrucât probabilitatea de emisie a unui foton de o anumită lungime de undă este mai mare decât cea a unei linii spectrale apropiate asociată cu lărgirea liniei spectrale și, în consecință, probabilitatea tranzițiilor induse la această frecvență are și ea un maxim. Prin urmare, treptat în procesul de generare, fotonii cu o anumită lungime de undă vor domina peste toți ceilalți fotoni. În plus, datorită amenajării speciale a oglinzilor, în fasciculul laser sunt stocați doar acei fotoni care se propagă într-o direcție paralelă cu axa optică a rezonatorului la mică distanță de acesta, restul fotonii părăsesc rapid volumul rezonatorului. . Astfel, fasciculul laser are un unghi de divergență foarte mic ] . În cele din urmă, fasciculul laser are o polarizare strict definită. Pentru a face acest lucru, în rezonator sunt introduse diverse polaroid, de exemplu, pot fi plăci plate de sticlă instalate la unghiul Brewster față de direcția de propagare a fasciculului laser.

Atomii și moleculele sunt în anumite stări de energie, sunt la anumite niveluri de energie. Pentru ca un atom izolat să-și schimbe starea de energie, trebuie fie să absoarbă un foton (obține energie) și să meargă la un nivel de energie mai înalt, fie să emită un foton și să treacă într-o stare de energie mai scăzută.

Dacă un atom este într-o stare excitată, atunci există o anumită probabilitate ca după un timp să intre într-o stare inferioară și să emită un foton. Această probabilitate are două componente - o constantă și o „variabilă”.

Dacă nu există câmp electromagnetic în regiunea în care se află atomul excitat, atunci procesul de tranziție a atomului la starea inferioară, însoțit de emisia unui foton și caracterizat printr-o componentă constantă a probabilității de tranziție, se numește emisie spontană.

Emisia spontană nu este coerentă, deoarece diferiți atomi emit independent unul de celălalt. Dacă un câmp electromagnetic extern acționează asupra unui atom cu o frecvență egală cu frecvența fotonului emis, atunci procesul de tranziție spontană a atomului la starea de energie inferioară continuă ca înainte, în timp ce faza radiației emise de atom nu nu depind de faza câmpului extern.

Cu toate acestea, prezența unui câmp electromagnetic extern cu o frecvență egală cu frecvența fotonului emis determină atomii să emită radiații, crește probabilitatea trecerii atomului la o stare de energie mai scăzută. În acest caz, radiația atomului are aceeași frecvență, direcție de propagare și polarizare ca și radiația externă forțată. Radiația atomilor va fi într-o stare de fază separată cu un câmp extern, adică va fi coerentă. Un astfel de proces de radiație se numește indus (sau forțat) și se caracterizează printr-o componentă de probabilitate „variabilă” (cu cât este mai mare, cu atât densitatea de energie a câmpului electromagnetic extern este mai mare). Deoarece energia câmpului electromagnetic este cheltuită pentru stimularea tranziției, energia câmpului extern crește cu energia fotonilor emiși. Aceste procese au loc constant în jurul nostru, deoarece undele luminoase interacționează întotdeauna cu materia.

Cu toate acestea, au loc și procese inverse. Atomii absorb fotonii și devin excitați, iar energia câmpului electromagnetic este redusă de energia fotonilor absorbiți. În natură, există un echilibru între procesele de emisie și absorbție, prin urmare, în medie, în natura din jurul nostru, nu există un proces de amplificare a câmpului electromagnetic.

Să avem un sistem cu două niveluri.

Schema de tranziție într-un sistem cu două niveluri

N2 este numărul de atomi pe unitatea de volum în starea excitată 2. N1- în stare neexcitată 1.

dN2 = - A21 N2 dt,

numărul de atomi pe unitate de volum care au părăsit starea 2. A21 este probabilitatea unei tranziții spontane a unui atom individual de la starea 2 la starea 1. După integrare, obținem

N2 = N20eA21t,

Unde N20 este numărul de atomi în starea 2 la un moment dat t = 0. Intensitatea emisiei spontane IC este egal cu

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

Intensitatea emisiei spontane scade exponential.

Numărul de atomi care părăsesc starea 2 în timpul de la t inainte de t+dt, egal A21 N2dt, adică acesta este numărul de atomi pe care i-a trăit timpul tîn starea 2. De aici şi durata medie de viaţă τ un atom în starea 2 este

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

Probabilitatea unei tranziții induse W21 2 – 1 este proporțional cu densitatea de energie spectrală a câmpului electromagnetic ρν la frecvența de tranziție, adică

W21 = B21

B21 este coeficientul Einstein de emisie stimulată.

Probabilitatea de tranziție 1-2

W12 = B12 ρv,

ρν = (8πhμ321 / c3) (1 / e -1) Formula lui Planck.