В океане энергии

Для простоты рассмбтрим случай, когда в экзотермической химической реакции участвуют два вещества, например два газа. До начала реакции каждый из газов находился в равновесном состоянии, что означает нормальное распределение по энергетическим уровням. Большинство атомов находится в основных состояниях, но при этом имеется и большое количество атомов, находящихся в возбужденном состоянии. Теперь представьте себе, что встречаются два атома, из которых один находится в состоянии i, а второй — в состоянии /. В каком состоянии должна находиться образовавшаяся в результате молекула? Она не может находиться в состоянии, в точности характеризуемом величиной энергии i+i, потому что такого состояния попросту не существует. Но с большой степенью вероятности она окажется в состоянии, наиболее близком к сумме i+i. Почему? Ответ все тот же: природа ленива, из всех возможных исходов она по преимуществу (заметьте, не всегда, а по преимуществу) выбирает тот, который требует наименьших затрат, в данном случае преодоления меньшей разности энергий.

Даже если указанные состояния i и / были основными состояниями атомов, из этого вовсе не следует, что состояние, которое примет молекула (как мы только что установили, ближайшее к сумме i+i), будет ее основным состоянием. В результате химической реакции образуется множество молекул, находящихся в самых разных энергетических состояниях. Нет ничего необычного в том, что подберется такая пара веществ, атомы которых в момент объединения породят молекулы, находящиеся в метастабильном возбужденном состоянии, иначе, породят вещество с инверсией населенностей.

Поместив смесь двух реагирующих веществ в промежуток между двумя зеркалами, вы получите лазерное излучение и отработавшее вещество, которое представляет собой не что иное, как результат химической реакции. Но теперь уже оно характеризуется тем, что большинство его молекул находится в основных состояниях.

Конструкция химического лазера похожа на реактивный двигатель самолета. Внутрь объема, который у нас есть все основания назвать камерой сгорания, поступают, дейтерий, фтор и углекислый газ (в случае самолетного, двигателя это были бы, скажем, керосин и кислород воздуха). Начинается реакция, которую, так же, как и в самолетном двигателе, может оказаться необходимым инициировать с помощью электрической искры. В процессе протекания реакции на какое-то мгновение возникает инверсия населенностей и, если в нужном месте оказывается пара зеркал (а она и оказывается в нужном месте), образуется лазерное излучение. Инверсия населенностей, как говорят, высвечивается, и продукт реакции, характеризуемый теперь уже нормальным распределением молекул по энергетическим уровням, выбрасывается за пределы камеры сгорания.