50 лет советской физики - Владимир Лешковцев

После чрезвычайно долгой экспозиции им удалось заметить слабые спектральные линии на равных расстояниях от первичной.

Тщательное исследование этих линий показало, что они сопровождают каждую линию первичного света. Разность между частотами этих линий и частотой падающего света совпадает с частотами инфракрасных колебаний молекул рассеивающего вещества. Кроме того, интенсивность линий, смещенных в красную сторону спектра, значительно выше интенсивности линий, смещенных в синюю сторону.

В этом явлении физики впервые встретились с прямым взаимодействием световых колебаний с отдельными молекулами вещества. Недаром Л. И. Мандельштам называл спектры комбинационного рассеяния «языком молекул».

Грубую картину механизма этого взаимодействия можно получить следующим образом. Каждая молекула данного вещества может совершать различные внутренние колебания. Им соответствует определенный набор порций электромагнитной энергии, hνi , которые молекулы способны принимать от окружающей среды и возвращать в нее. Если квант падающего света hν0 взаимодействует с невозбужденной молекулой, он отдает ей часть своей энергии, равную hνi . При этом в рассеянном свете появляется «красная» смещенная линия с частотой νk=ν0−νi . Если же квант встречается с возбужденной молекулой, обладающей энергией возбуждения hνi , он может получить эту энергию и тогда родится «синяя» смещенная линия с частотой ν'c=ν0+νi . Нетрудна видеть, что смещенные линии должны располагаться симметрично по обе стороны от основной линии первичного света.

Так как в обычных условиях число невозбужденных молекул значительно больше, интенсивность линий, смещенных в красную сторону спектра, должна быть значительно выше, что соответствует действительности.

В 1928 г. аналогичное открытие было сделано индийскими физиками Раманом и Кришнаном. Они также наблюдали в свете, рассеянном различными жидкостями, возникновение дополнительных спектральных линий. Свое открытие они интерпретировали как оптический аналог эффекта Комптона. Как показал Л. И. Мандельштам, это было совершенно неверно. Тем не менее в 1930 г. Раман получал Нобелевскую премию, а само комбинационное рассеяние света долгое время называлось «эффектом Рамана».

Продолжая свои исследования, Л. И. Мандельштам и Г. С. Ландсберг создали новый метод спектрального анализа молекул, основанный на изучении спектров комбинационного рассеяния. Этот метод получил огромное распространение и широко применяется теперь во всех странах.

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Герой романа Алексея Толстого «Гиперболоид инженера Гарина» изобрел прибор, способный создавать узкий параллельный световой пучок, несущие большую энергию и вызывающий серьезные разрушения на значительных расстояниях. Физики не раз убедительно доказывали, что гиперболоид, совершающий такие действия, принципиально невозможен[5]. Но при этом упускали из виду, что невозможность создания такого прибора отнюдь не означает невозможности создания такого луча. Недавно физики получили подобные лучи в свое распоряжение. Их принесла новая область физики — квантовая электроника, возникшая на наших глазах. Однако и у нее уже есть своя небольшая история.

Во всех известных нам до недавних пор источниках света излучающие его атомы работают крайне несогласованно, хаотично. Они испускают различный свет в разное время по любым направлениям. Такой свет, удаляясь от источника даже в виде первоначального пучка (например, луч прожектера), быстро расплывается на все большую и большую площадь, напоминая в сечении контуры веера. Это не позволяет пересылать заметные количества электромагнитной энергии на космические расстояния.

Если бы можно было заставить возбужденные атомы излучать свет одной и той же длины волны одновременно, да еще в строго определенном направлении, мы получила бы принципиально новый источник света. Именно таким источником и является лазер, способный создавать лучи, подобные лучам гиперболоида инженера Гарина.

Чтобы лучше понять глубокое различие между обычными тепловыми источниками света и лазером, приведем следующую аналогию.

Представьте себе огромный хор, где нет дирижера и каждый из участников стоит, как ему захотелось (кто лицом, а кто и спиной к публике), поет свою отличную от других песню, начиная и кончая, когда ему вздумается. Зрители при этом услышат только невообразимый шум. Именно так ведут себя атомы в обычных источниках света.

Но приходит дирижер, и все участники хора поворачиваются лицом к зрителям и одновременно начинают исполнять одну и ту же песню. Такой хор можно услышать на весьма большом расстояний от эстрады. По этому принципу работают атомы в лазере.

Как же удалось заставить атомы работать так согласованно?

Хорошо известно, что любая среда, в которую проникает свет, поглощает и рассеивает его лучи. Если бы Исааку Ньютону оказали, что возможно создать среды, усиливающие пропускаемый ими свет, он бы наверняка в это не поверил.

Классическая теория колебаний утверждает, что диполь, на который воздействует периодически изменяющееся электромагнитное поле, может, в зависимости от соотношения фаз между колебаниями поля и колебаниями самого диполя, либо поглощать энергию поля, либо отдавать ее полю. В первом случае имеет место положительная абсорбция, во втором — отрицательная абсорбция или вынужденное излучение энергии под влиянием электромагнитного поля. Это излучение отлично от обычного спонтанного излучения, происходящего под влиянием внутренней неустойчивости системы, и обычно складывается с ним. Так как вынужденное излучение стимулируется внешним полем, то, в отличие от спонтанного излучения, оно будет строго согласованным во времени.

А. Эйнштейн первым в 1917 г. распространил этот принцип на квантовые системы, указав, что атомы также должны испускать вынужденное излучение под влиянием падающей электромагнитной волны. Только при этом условии ему удалось вывести формулу Планка на основе статистических соображений.

В 1927 г. английский физик П. Дирак обратил внимание на то, что вынужденное излучение атомов должно иметь место лишь при условии совпадения частоты падающего электромагнитного излучения с одной из возможных частот для атомов данного сорта. Иными словами, атомы должны испускать такие же кванты, какие содержатся в падающем излучении.

Заинтересовавшись природой вынужденного излучения, советский физик, профессор В. А. Фабрикант решил подробно разобраться в этом вопросе. В 1939 г. В. А. Фабрикант защитил докторскую диссертацию, в которой впервые теоретически обосновал возможность создания оптических сред, усиливающих проходящий через них свет. В 1951 г. он вместе с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой подал авторское свидетельство на эту идею, осуществление которой позволило бы создать принципиально новый способ усиления электромагнитного излучения.

На пути к созданию такой среды, значительная часть атомов которой, в нарушение термодинамического равновесия, длительное время находится в возбужденном состоянии, встретились очень большие трудности. Первыми их преодолели советские физики академики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров. В 1952 г. они сообщили на научной конференции о работе по созданию молекулярного усилителя и генератора радиоволн на аммиаке. В этом необычном генераторе все молекулы аммиака согласованно излучали электромагнитные волны одной и той же длины. Постоянство частоты генератора было так велико, что первым его применением оказалась служба времени. Построенные на таком принципе молекулярные часы имеют непревзойденно высокую точность.

Вскоре об аналогичном молекулярном генераторе радиоволн сообщил американский физик Ч. Таунс. Он же предложил называть такие генераторы мазерами.

Так родилась квантовая электроника.

Но всеобщее признание она получила лишь после создания квантовых генераторов оптического диапазона — лазеров. Первый лазер был создан в 1960 г. Немалая доля заслуг в создании лазеров также принадлежит советским физикам академикам Н. Г. Басову и А. М. Прохорову и профессору В. А. Фабриканту.

Вот как, например, выглядит газовый лазер.

Его основная деталь — продолговатая трубка, заполненная смесью двух благородных газов — гелия и неона. За торцами трубки находятся плоские строго параллельные зеркала, способные отражать до 99 % падающего на них света, одно из которых слегка прозрачно.

Возбуждая с помощью электродов газовый разряд в трубке, мы прежде всего сообщаем энергию атомам гелия, а они, в свою очередь, возбуждают путем столкновений атомы неона. Так как атомы неона излучают полученную энергию не мгновенно, а с некоторой задержкой, в газовой смеси возникает большое количество возбужденных атомов неона. Первые же кванты, излученные атомами неона, многократно отражаясь от зеркал, стимулируют путем вынужденного излучения лавинообразный процесс освобождения энергии, приводя к мощной вспышке монохроматического света. Этот процесс можно повторять с большой частотой.