История лазера. Научное издание

Основная идея представляется очень простой, теперь, РєРѕРіРґР° РјС‹ подготовлены Рє ней Рё можно только удивляться, почему никто РЅРµ додумался РґРѕ этого прежде. Если РјС‹ рассматриваем системы СЃ РґРІСѓРјСЏ энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, как это делал Вебер, то РјС‹ знаем, что мощность, излучаемая Р·Р° счет вынужденного излучения, пропорциональна числу частиц n₂ РІ верхнем состоянии, Р° поглощенная мощность пропорциональна числу частиц n₂ РІ нижнем состоянии. Ртоговая мощность, которая является разностью поглощенной Рё испущенной мощности, как РјС‹ видели, пропорциональна разности n₁ n₂. РџСЂРё термическом равновесии, n₁ всегда больше, чем n₂ Рё, поэтому поглощенная мощность всегда больше, чем испущенная мощность. РќРѕ давайте рассмотрим, что случиться, если РјС‹ каким-РЅРёР±СѓРґСЊ СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј отберем частицы так, что отправим РІ РѕРґРЅСѓ сторону только те, которые находятся РІ верхнем состоянии. Теперь число n₂ будет больше, чем n₁ Рё поэтому испускаемая мощность станет больше, чем поглощенная мощность. Таким образом, РјС‹ получаем устройство, СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕРµ испускать излучение СЃ частотой, соответствующей разности энергий между РґРІСѓРјСЏ СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё. Рто устройство является генератором, Рё над РЅРёРј-то Рё размышлял Таунс.

Активным веществом, которое предусматривал Таунс, был газ аммиак. Согласно классической картине, молекула аммиака (состоящая РёР· РѕРґРЅРѕРіРѕ атома азота Рё трех атомов РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, NH₃) представляет треугольную пирамиду (СЂРёСЃ. 41, Р°) СЃ тремя атомами РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° РІ углах основания Рё атомом азота РЅР° вершине. Рти три атома РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° можно рассматривать лежащими РІ РѕРґРЅРѕР№ плоскости, Р° атом азота лежащим РІ РґСЂСѓРіРѕР№ плоскости, которая выше или ниже, чем плоскость атомов РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°. Потенциальная энергия атома азота РІ зависимости РѕС‚ его расстояния РѕС‚ плоскости атомов РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° показана РЅР° СЂРёСЃ 41, Р±. Квантовая механика показывает, что соответствующая кривая имеет РјРёРЅРёРјСѓРј РїРѕ РѕР±Рµ стороны РѕС‚ этой плоскости СЃ потенциальным барьером, имеющим максимум РІ плоскости водородных атомов. Атом азота может колебаться вдоль РѕСЃРё, перпендикулярной этой плоскости, Рё может переходить РёР· положения вверху плоскости РІ положение ниже ее, Рё обратно. Такой переход обозначается как инверсия. РљСЂРѕРјРµ того, молекула вращается РІРѕРєСЂСѓРі взаимно перпендикулярных осей. Согласно квантовой механике, РІСЃРµ колебательные Рё вращательные движения квантованы, Рё поэтому РёС… энергии представляются дискретными энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, как показано РЅР° СЂРёСЃ. 41, Р±.

Рис. 41. Пирамидальная структура молекулы аммиака (а). Потенциальная энергия атома азота как функция его расстояния от плоскости атомов водорода (б)