Превращения гиперболоида инженера Гарина

Так нельзя ли, подумал Джаван, использовать электрический разряд в газе непосредственно для получения активного инверсного состояния, избежав таким способом промежуточной стадии превращения электрической энергии в световую и связанных с этим потерь?

Электрические разряды в газах уже давно интересовали ученых. Еще Ломоносов и Рихман в России и Франклин в США изучали природу и свойства молний. Рихман трагически погиб во время одного из своих опытов, когда молния, которую он при помощи железного прута завлек в лабораторию, отклонилась от предначертанного для нее пути. С тех пор прошло много времени. Исследования разнообразных свойств электрических разрядов в газах позволили глубоко проникнуть в их механизм. Появились и технические применения таких разрядов. Это и мощные выпрямители, в которых разряд в парах ртути превращает переменный ток мощных энергосистем в постоянный ток, движущий электровозы на железнодорожных магистралях и троллейбусы и трамваи в городах. Это и яркие огни газосветных реклам и целебное сияние «горного солнца» ртутного разряда, горящего внутри трубок из плавленого кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей.

Но все, что добыли поколения ученых, исследовавших свойства газового разряда, говорило о крайней трудности получения в нем инверсионной населенности. Рассчитывать на получение активной среды таким путем было очень трудно. Нижние энергетические уровни газов заселялись под действием электрического разряда сильнее, чем верхние. А инверсия, как мы знаем, — это состояние, при котором хотя бы один из верхних уровней заселен сильнее, чем один из нижних.

К этому и был направлен обходный путь Джавана.

ВЕРОЯТНО ИЛИ НАВЕРНЯКА?

Физики и инженеры во многих случаях считают атомы и молекулы, образующие газ, идеально упругими шарикам. При столкновении такие шарики ведут себя подобно бильярдным шарам. Упругие столкновения играют важную роль при течении газов и при полетах самолетов, если только они не достигают сверхзвуковых скоростей. Но при возникновении электрических разрядов в газах решающую роль играют соударения второго рода, при которых энергия движения сталкивающихся атомов или молекул переходит в их внутреннюю энергию.

Джаван решил использовать именно такие соударения и избрал для этого одну из простейших систем — смесь двух наиболее легких инертных газов гелия и неона.

Если пропускать через разреженный гелий электрический ток высокого напряжения, в нем загорится бледно-голубой разряд. Неон в таких же условиях дает яркое красное свечение. По счастливой случайности нижний из возбужденных уровней гелия почти совпадает с одной из полос возбуждения неона. Это обстоятельство и решил использовать Джаван.

Он заключил в трубку небольшое количество гелия, так что его давление составляло лишь немногим более тысячной доли атмосферного давления, и добавил туда в десять раз меньшее количество атомов неона. Возбудив в трубке электрический разряд, Джаван увидел яркое красное свечение неона, более яркое, чем при отсутствии гелия. Голубоватого свечения гелия почти не было видно. Именно этого он и ожидал. Это он и провоцировал.

Электрический разряд, конечно, возбуждал атомы гелия. Но прежде чем они успевали самопроизвольно излучить свои голубоватые фотоны, с ними сталкивались невозбужденные атомы неона, отбирая у них запасенную энергию. При этом атомы гелия возвращались в невозбужденное состояние без излучения фотона. Это был классический удар второго рода. Атом неона при столкновении отбирал у атома гелия избыточную внутреннюю энергию! При этом атом неона сам оказывался возбужденным, а небольшой избыток внутренней энергии атома гелия уходил на нагревание газа.

Подобные процессы имел в виду Фабрикант, обсуждая вопрос о возможности наблюдения индуцированного излучения. Как теперь выяснилось, и другие ученые еще в тридцатых годах наблюдали, что в газовых разрядах населенности некоторых уровней инвертируются.

Но Джаван первым подошел к этому с позиций радиофизики. Он был хорошо знаком с аммиачным молекулярным генератором и хотел создать что-нибудь подобное на световых волнах. Джаван не только понял, что таким путем можно получить инверсию населенностей энергетических уровней неона, но и знал, что нужно, чтобы прибор загенерировал. Выбор Джавана был удачным потому, что тот уровень неона, который возбуждался при столкновении с возбужденным атомом гелия, входил в группу из четырех уровней, ниже которой, одна под другой, располагаются еще две группы. При переходе с возбужденного уровня на любой уровень верхней из этих групп должен излучаться фотон инфракрасного излучения с длиной волны около одного микрона. При дальнейшем переходе на один из уровней нижней группы излучаются фотоны красного света, хорошо знакомые по обычным неоновым рекламам.