Понятная физика

Мейман использовал кристалл рубина, который состо ит из окиси алюминия с примесью хрома. Особенность рубина в том, что он содержит хром в виде трехвалентных ионов, в то время как обычно хром имеет валентность шесть. При поглощении света рубином три внешние оболочки хрома расширяются, занимая место отсутствующих. Разбухшие оболочки хрома подпираются оболочками алюминия, которые препятствуют их возвращению в исходное положение. Так обеспечивается метастабильное состояние оболочек хрома. За счет эффекта запирания время жизни метастабильных оболочек в рубине увеличивается в сто тысяч раз! Появилась надежда, что почти все атомы хрома успеют принять участие в размножении фотонов. Проблема в том, что к.п. д лазера ограничен концентрацией хрома. Она не должна быть чрезмерной, чтобы кристалл не потерял прозрачность. Поэтому мы не вправе ждать большой мощности от такого лазера. Но здесь дело принципа. Впервые в науке появилась возможность создать монохромный луч не фильтрацией солнечного света, а при помощи квантового механизма вынужденного излучения, предсказанного Эйнштейном.

В качестве источника энергии накачки Мейман использовал мощную импульсную ксеноновую лампу, изготовленную в виде трубки, завитой в спираль. Кристалл рубина в виде цилиндрика размером с карандаш закрепили внутри спирали. Зеркала для фотонов напылили на торцы кристалла. В одном из зеркал оставили окошечко для выходного луча. Лампу обмотали фольгой для лучшего отражения света внутрь. Опыт начался.

После мощнейшей вспышки лампы практически все валентные электроны атомов хрома, поглотив фотоны с длиной волны 694 нм (красный свет), перешли в метастабильное состояние, где были заперты оболочками алюминия на период времени 10^-3 с. Но, согласно принципам квантовой теории, как минимум один возбужденный электрон почти сразу (через 10^-8 с) должен был просочиться через электронный барьер и вернуться на нижний уровень. При этом атом хрома должен излучить фотон красного цвета, который начнёт лавинообразный процесс генерации излучения. Всё так и случилось. Уже через 10^-4 с после момента вспышки все метастабильные электроны вынужденно излучили мириады фотонов и вернулись в исходное состояние. Фотоны, концентрируясь, метались вдоль оси кристалла между зеркалами, пока не сжались в сверхтонкий луч, который вышел через окно на торце рубина и прожёг дырку в мишени. Весь процесс генерации лазерного монохромного луча занял меньше одной миллисекунды. Успех был очевиден. В дальнейшем Мейман организовал коммерческое производство лазеров и стал состоятельным человеком.

Первый лазер имел небольшую мощность, всего несколько ватт. В настоящее время изобретены другие лазеры, в тысячи раз мощнее. В качестве рабочей среды в них используют кристаллы, органические жидкости и даже газы. Новые лазеры применяются для резки металла, керамики, в хирургической практике. В печати иногда появляются сообщения о боевых лазерах, но эти проекты пока находятся на стадии опытных разработок. Проблема в том, что для сбивания ракеты требуется лазерный луч с мощностью не менее 100 кВт. Это значит, что для надежной работы боевого лазера нужен генератор энергии с мощностью порядка 10 МВт. Такие генераторы имеются, но они так громоздки, что вся лазерная система пока не помещается ни в самолете, ни на танке.

§ 59. Отвечая на вероятные вопросы

Вероятны по меньшей мере два вопроса: почему нет главы о тепловой энергии и на каком основании автор позволяет себе усреднять данные, чтобы получить результат?

По первому вопросу напомним, что классическая те ория тепла (термодинамика) основана на уравнении PV = RT (59.1), где P – давление в тепловой машине, V – рабочий объем машины, T – рабочая температура машины, R – переходный коэффициент, измеряется в джоулях на градус. Учитывая, что давление измеряют в Н/м², а объём – в м³, легко показать, что размерность [PV] = [Н/м²* м³] = [Н*м] = [Дж]. Таким образом, левая часть уравнения (59.1), которая характеризует тепловую машину, имеет размерность энергии. Это значит, что основатели тепловой теории, применив энергетический подход, получили прекрасный результат, учитывая разнообразие созданных тепловых машин, от мопедов до космических ракет. В принципе, нам к этому добавить нечего.

По второму вопросу ответ прост: на основании теоремы о среднем. Заметим, цель любых расчётов – получить число. В высшей математике этим числом является определённый интеграл. Для его вычисления принято сначала дифференцировать, затем интегрировать, искать пределы интегрирования, подставлять в формулу и т. д. Это долго и сложно. С другой стороны, известно, что определённый интеграл численно равен площади под графиком функции. Эта площадь равна произведению основания на среднюю высоту, в этом суть теоремы о среднем. А средняя высота равна половине суммы наибольшего и наименьшего значения. Элементарная геометрия понятнее высшей алгебры. Ведь наш курс называется «Понятная физика».