Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
203
чымасць паскоранага руху электронаў без выпраменьвання электрамагнітных хваль.
Згодна з другім пастулатам Бора выпраменьванне святла адбываецца пры пераходзе атама са стацыянарнага стану з большай энергіяй Ек у стацыянарны стан з меншай энергіяй Еп. Энергія выпрамененага фатона роўна рознасці энергій стацыянарных станаў:
hvkn = Ek — En. (9.2)
Адсюль частату выпраменьвання можна выразіць так:
Ek — Е„ Ек Е„ — h ~ h ~ h'
(9.3)
Пры паглынанні святла атам пераходзіць са стацыянарнага стану з меншай энергіяй у стацыянарны стан з большай энергіяй.
Другі пастулат таксама супярэчыць электрадынаміцы Максвела, паколькі згодна з гэтым пастулатам частата выпраменьвання святла сведчыць не аб асаблівасцях руху электрона, а толькі аб змяненні энергіі атама.
Свае пастулаты Бор прымяніў для пабудавання тэорыі найпрасцейшай атамнай сістэмы — атама вадароду. Асноўная задача заключалася ў знаходжанні частот электрамагнітных хваль, якія
выпраменьваюцца вадародам. Гэтыя частоты можна знайсці на
аснове другога пастулата, калі мець правіла вызначэння стацыянарных значэнняў энергіі атама. Гэта правіла (так званае правіла квантавання) Бору зноўтакі прыйшлося пастуліраваць.
Мадэль атама вадароду па Бору. Выкарыстоўваючы законы механікі Ньютана і правіла квантавання, якое адбірае магчымыя стацыянарныя станы, Бор змог вылічыць дапушчальныя радыусы арбіт электрона і энергіі стацыянарных станаў. Мінімальны радыус арбіты вызначае размеры атама. На рысунку 168, а, б значэнні энергій стацыянарных станаў (у электронвольтах') адкладзены на вертыкальных восях.
Другі пастулат Бора дазваляе вылічыць па вядомых значэннях энергій стацыянарных станаў частоты выпраменьванняў атама
У атамнай фізіцы энергію прынята выражаць у электронвольтах (скарочана: эВ I 1 эВ роўны энергіі, якую набывае электрон пры праходжанні рознасці патэнцыялаў 1 В; 1 эВ = 1,610 19 Дж.
204
вадароду. Тэорыя Бора прыводзіць да колькаснага пагаднення з эксперыментам для значэнняў гэтых частот. Усе частоты вьшраменьванняў атама вадароду складаюць рад серый, кожная з якіх утвараецца пры пераходах атама ў адзін з энергетычных станаў з усіх верхніх энергетычных станаў (станаў з большай энергіяй).
Пераходы з першага ўзбуджанага стану (на другі энергетычны ўзровень) з верхніх узроўняў утвараюць серыю Бальмера. На рысунку 168, а гэтыя пераходы паказаны стрэлкамі. Чырвоная, зялёная і дзве сінія лініі ў бачнай частцы спектра вадароду (рыс. V, 3 на каляровай уклейцы) адпавядаюць пераходам
Ез+Е2, Е^Е2, Е$+Е2 і Еб^Е2.
Дадзеная серыя названа па імені швейцарскага настаўніка I. Бальмера, які яшчэ ў 1885 г. на аснове эксперымента ўстанавіў простую формулу для вызначэння частот бачнай часткі спектра вадароду.
Паглынанне святла. Паглынанне святла — працэс, адваротны выпраменьванню. Атам, паглынаючы святло, пераходзіць з ніжэйшых энергетычных станаў у вышэйшыя. Пры гэтым частоты святла, якое ён паглынае, такія ж, што і святла, якое ён выпраменьвае, пераходзячы з вышэйшых энергетычных станаў у ніжэйшыя. На рысунку 168, б стрэлкамі паказаны пераходы атама з адных станаў у другія з паглынаннем святла.
На аснове двух пастулатаў і правіла квантавання Бор вызначыў радыус атама вадароду і энергіі стацыянарных станаў атама. Гэта дазволіла вылічыць частоты выпраменьваемых і паглынаемых атамаў электрамагнітных хваль.
1. У чым заключаюцца процілегласці паміж пастулатамі Бора 1 законамі класічнай фізікі? 2. Якое выпраменьванне назіраецца пры пераходзе электрона ў атаме вадароду на ніжэйшы энергетычны ўзровень? Пакажыце стрэлкамі гэтыя пераходы на схеме энергетычных узроўняў (гл. рыс. 168).
§ 74. ЦЯЖКАСЦІ ТЭОРЫІ БОРА. КВАНТАВАЯ МЕХАНІКА
Найбольшы поспех тэорыя Бора мела прымяняльна да атама вадароду, для якога аказалася магчымым пабудаваць колькасную тэорыю спектра.
Аднак пабудаваць колькасную тэорыю для наступнага за вадародам атама гелію на падставе бораўскіх уяўленняў не ўдалося. Адносна атама гелію і больш складаных атамаў тэорыя Бора дазваляла рабіць толькі якасныя (хоць і вельмі важныя) заключэнні.
Гэта і не дзіўна. Тэорыя Бора з’яўляецца палавінчатай, унутрана супярэчлівай. 3 аднаго боку, пры пабудаванні тэорыі атама
205
вадароду выкарыстоўваюцца звычайныя законы механікі Ньютана і даўно вядомы закон Кулона, а з другога — уводзяцца квантавыя пастулаты, ніяк не звязаныя з механікай Ньютана і электрадынамікай Максвела. Увядзенне ў фізіку квантавых уяўленняў патрабавала радыкальнай перабудовы як механікі, так і электрадынамікі. Гэта перабудова была ажыццёўлена ў пачатку другой чвэрці нашага стагоддзя, калі былі створаны новыя фізічныя тэорыі: квантавая механіка і квантавая электрадынаміка.
Пастулаты Бора аказаліся зусім правільнымі. Але яны выступалі ўжо не як пастулаты, а як вынікі асноўных прынцыпаў гэтых тэорый. Правіла ж квантавання Бора, як высветлілася, можна прымяніць далёка не заўсёды.
Уяўленне аб пэўных арбітах, па якіх рухаецца электрон у атаме Бора, аказалася вельмі ўмоўным. На самай справе рух электрона ў атаме мае вельмі мала агульнага з рухам планет па арбітах. Калі б атам вадароду ў найніжэйшым энергетычным стане можна было сфатаграфаваць з вялікай вытрымкай, то мы ўбачылі б воблака з пераменнай шчыльнасцю. Большую частку часу электрон знаходзіцца на пэўнай адлегласці ад ядра. Гэту адлегласць можна прыняць за грубае падабенства радыуса арбіты. Фатаграфія атама зусім не была б падобнай на звычны рысунак Сонечнай сістэмы, а хутчэй напамінала б расплывістую пляму, атрыманую пры фатаграфаванні матылька, які бязладна тоўкся каля ліхтара1.
У цяперашні час з дапамогай квантавай механікі можна адказаць на любое пытанне, якое датычыцца будовы і ўласцівасцей электронных абалонак атамаў. Але колькасная тэорыя аказваецца вельмі складанай, і мы яе разглядаць не будзем. 3 якасным апісаннем электронных абалонак атамаў вы знаёміліся ў курсе хіміі.
§ 75. ЛАЗЕРЫ
На пытанне аб тым, што такое лазер2, акадэмік М. Г. Басаў адказваў так: «Лазер — гэта ўстройства, у якім энергія, напрыклад ценлавая, хімічная, электрычная, пераўтвараецца ў энергію электрамагнітнага поля — лазерны прамень. Пры такім пераўтварэнні частка энергіі непазбежна губляецца, але важным з’яўляецца roe, што атрыманая ў ныніку лазерная энергія ўладае больш высокай якасцю. Якасць ла ч рнай энергіі вызначаецца яе высо
' Тут трэба мець на ўвазе сходнасць карцін толькі ў сярэднім, за параўнальна вялікі час вытрымкі. Рух электрона ніяк нельга атаясамліваць з пырханнем матылька, роўна як і з рухам любога іншага макраскапічнага цела.
2 Слова лазер утворана як спалучэнне першых літар слоў англійскага выразу “Light Amplification by stimulated Emission of Radiation,, («узмацненне святла пры дапамозе індуцыраванага выпраменьвання»).
206
кай канцэятрайыяй і магчымасцю перадачы на значную адлегласць, Лазерны прамень можна сфакусіраваць у мвлюсенькую плямачку дыяметрам парадку даўжыні светлавоя хвалі і агры маць шчыльнасць энергіі, якая перавышае ўжо на сённяшні дзень шчыльнаснь энергіі ядзернага выбуху. Пры дапамозе лазернага выпраменьвання ўжо ўдалося дасягнунь самых нысо кіх значэнняў тэмпературы, ціску, магнітнай індукцыі, Нарэшйе лазерны прамень з’яўляецца самым ёмкім носьбітам інфармацыі і ў гэтай ролі — прынцыпова новым сродкам яе перадачы і апрацоўкі».
Індуцыраванае выпраменьванне. У 1917 г. Эйнштэйн прадказаў магчымасць так званага індуцыраванага (вымушанага) выпраменьвання святла атамамі. Пад індуцыраваным выпраменьваннем разумеецца выпраменьванне ўзбуджаных атамаў пад дзеяннем падаючага на іх святла. Выдатнай асаблівасцю гэтага выпраменьвання з’яўляецца тое, што ўзнікшая пры індуцыраваным выпраменьванні светлавая хваля не адрозніваецца ад хвалі, якая падае на атам, ні частатой, ні фазай, ні палярызацыяй.
На мове квантавай тэорыі вымушанае выпраменьванне азначае пераход атама з вышэйшага энергетычнага стану ў ніжэйшы, але не самаадвольна, як пры звычайным выпраменьванні, а пад уплывам знешняга ўздзеяння.
Лазеры. Яшчэ ў 1940 г. савецкі фізік В. А. Фабрыкант указаў на магчымасць выкарыстання з’явы вымушанага выпраменьвання для ўзмацнення электрамагнітных хваль. У 1954 г. савецкія вучоныя М. Г. Басаў і A. М. Прохараў і незалежна ад іх амерыканскі фізік Ч. Таўнс выкарысталі з’яву індуцыраванага выпраменьвання для стварэння мікрахвалевага генератара радыёхваль з даўжынёй хвалі Х= 1,27 см. За распрацоўку новага прынцыпу генерацыі і ўзмацнення радыёхваль М. Г. Басаву і A. М. Прохараву была ў 1959 г. прысуджана Ленінская прэмія. У 1963 г. М. Г. Басаў, A. М. Прохараў і Ч. Таўнс былі ўдастоены Нобелеўскай прэміі.
У 1960 г. у ЗША быў створаны першы лазер — квантавы генератар электрамагнітных хваль у бачным дыяпазоне спектра.
Уласцівасці лазернага выпраменьвання. Лазерныя крыніцы святла маюць рад істотных пераваг у параўнанні з іншымі крыніцамі святла:
1. Лазеры здольны ствараць пучкі святла з вельмі малым вуглом разыходжання (каля 105 рад). На Месяцы такі пучок, выпушчаны з Зямлі, дае пляму дыяметрам 3 км.
2. Святло лазера валодае выключнай монахраматычнасцю. У адрозненне ад звычайных крыніц святла, атамы якіх выпраменьваюць святло незалежна адзін ад аднаго, у лазерах атамы выпраменьваюць святло ўзгоднена. Таму фаза хвалі не зведвае нерэгулярных змяненняў.
3. Лазеры з’яўляюцца самымі магутнымі крыніцамі святла. У вузкім інтэрвале спектра кароткачасова (на працягу прамежку
207
a
Рыс. 169
Рыс. 170
часу працягласцю парадку 10“11 с) у некаторых тыпаў лазераў дасягаецца магутнасць выпраменьвання 1014 Вт/см2, у той час як магутнасць выпраменьвання Сонца роўна толькі 7 103 Вт/см2, прычьім сумарна па ўсяму спектру. На вузкі ж інтэрвал ДХ = = 106 см (шырыня спектральнай лініі лазера) прыпадае ў Сонца ўсяго толькі 0,2 Вт/см2. Напружанасць электрычнага поля ў электрамагнітнай хвалі, якую выпраменьвае лазер, перавышае напружанасць поля ўнутры атама.
Прынцып дзеяння лазераў. У звычайных умовах большасць атамаў знаходзіцца ў ніжэйшым энергетычным стане. Таму пры нізкіх тэмпературах рэчывы не свецяцца.
Пры праходжанні электрамагнітнай хвалі праз рэчыва яе энергія паглынаецца. За кошт паглынутай энергіі хвалі частка атамаў узбуджаецца, г. зн. пераходзіць у вышэйшы энергетычны стан. Пры гэтым ад светлавога пучка аднімаецца энергія
КНІГІ ОНЛАЙН
