8.2.1. Постулаты Бора

Противоречие между теоретическими расчётами (на основе работ Ньютона и Максвелла) и планетарной моделью атома, трудности в объяснении спектров испускания и поглощения атомов и др. можно было устранить только с появлением новой теории, автором которой стал Нильс Бор (1885–1962, Дания). Он полагал, что энергия атома не может быть произвольной и имеет ряд строго определённых (дискретных) значений, называемых энергетическими уровнями.

В основе теории Бора лежат три постулата:

1) электроны могут обращаться вокруг ядра только по строго определённым орбитам, соответствующим энергетическим уровням атома; при этом номер орбиты n, масса электрона m, его скорость v_n на этой орбите и её радиус r_n связаны соотношением: ;

• Расчёт этих орбит называют квантованием орбит.

2) когда электрон движется по одной из разрешённых орбит, атом находится в устойчивом состоянии (не излучает и не поглощает энергию);

3) когда электрон переходит на более близкую к ядру орбиту, атом испускает квант энергии (фотон), причём частоту _kn излучения можно определить из: h_kn= E_k – E_{n ,} где E_k и E_n – уровни энергии орбит с номерами k и n (E_k > E_n).

• При поглощении фотона атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией (с увеличением орбиты электрона).

• Разности энергий уровней и частóты излучений, соответствующие определённым переходам, неизменны.

Бор на основе постулатов и разработанного им квантования орбит определил энергии состояния атома водорода и частоты излучений при переходе атома из энергетически более высоких состояний в более низкие. Расчёты подтвердились опытами по обнаружению серий Бальмера, Лаймана и Пашена.

Теория Бора спектр излучения водорода объясняет так: если энергию связи электрона с ядром на бесконечном расстоянии принять за нуль, а на ближайшей к ядру орбите (согласно расчётам) Е = – 13,55 эВ, то энергетические уровни орбит электрона можно изобразить:

Переход с верхних уровней на первый образуют серию Лаймана, на второй – Бальмера, на третий – Пашена и т.д.

Теория Бора позволила определить радиус атома водорода, энергии его стационарных состояний и частоты излучаемых и поглощаемых волн. При этом она противоречит классической механике, согласно которой электрон может обращаться по произвольной орбите, и теории Максвелла, согласно которой атом (в силу движения электронов) должен постоянно излучать.

Происхождение спектров испускания (поглощения) теория Бора объясняет так: каждый атом излучает (поглощает) ЭМВ только ему присущего спектра, частоты которого соответствуют разностям энергетических уровней данного атома. Фраунгоферовы линии (п.7.5.6) также легко объяснимы: атомы веществ, находящихся около Солнца и других звёзд, поглощают определённые частоты спектра, соответствующие энергетическим уровням данных атомов.

8.2.2. Квантовый генератор

В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность получения индуцированного (вынужденного) излучения атомов под действием падающего на них света. С позиции квантовой теории это – переход атома из более высокого энергетического состояния в более низкое под действием внешнего излучения.

Оказалось, что это действительно возможно, причём индуцированная световая волна не отличается от падающей ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

В 1954 г. Николай Геннадиевич Басов (1922 г.р., СССР) и Александр Михайлович Прохоров (1916 г.р., СССР) на основе работ Валентина Александровича Фабриканта (1907 г.р., СССР) и Чарлза Таунса (1915 г.р., США) по явлению индуцированного излучения создали первый квантовый генератор. В 1960 г. в США был создан первый квантовый генератор ЭМВ видимого диапазона – лазер (англ. Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation – усиление света при помощи видимого излучения).

• В 1963 г. Басов, Прохоров и Таунс были удостоены Нобелевской премии.

Рассмотрим рубиновый лазер, работающий по трёхуровневой схеме: кристалл рубина 1 с плоскопараллельными торцами находится внутри газоразрядной лампы 2. Кратковременный импульс тока от источника напряжения в несколько тысяч вольт вызывает яркую вспышку лампы. Атомы рубина поглощают так много энергии света, что переходят с первого энергетического уровня на третий. Время жизни атома в состоянии возбуждения на 3-м уровне  10^–8 с. Затем атомы переходят с уровня 3 на уровень 2 (где время жизни  10^–3 с), который становится «перенаселённым». Атомы самопроизвольно излучают кванты энергии, переходя с уровня 2 на уровень 1, причём излучённые кванты одних атомов индуцируют излучение других, и процесс лавинообразно нарастает. Торцы кристалла 1 строго параллельны между собой, причём один из них делают полностью зеркальным, а другой – частично прозрачное зеркало. Волны излучаются в произвольных направлениях. Те из них, которые составляют угол с продольной осью кристалла, выходят из него, а те, что параллельны ей, многократно отражаются от его торцов. Волны всех атомов когерентны, усиливают друг друга, процесс происходит лавинообразно, и за очень малое время выделяется значительное количество энергии, т. е. рубиновый лазер работает в импульсном режиме.

Свойства лазерного излучения:

– очень малый угол расхождения пучка ( 10^–5 рад.);

– исключительная монохроматичность и светимость (п.7.6.3) (значи-тельно превышает светимость Солнца);

– частота излучения лазера: .

• Помимо рубинового, существуют другие типы лазеров, в том числе и лазеры непрерывного действия.

• Лазеры применяют для связи, испарения материалов, в хирургии, светолокации и др.