1. Tyrinėjimas

Atomai

Kokia yra atomo sandara?

Atomas yra mažiausia materijos dalelė, turinti chemines savybes. Viename grame vandenilio yra 6,022⋅10^23 atomų. Jį sudaro trijų rūšių elementariosios dalelės, kurios sudaro materiją. Protonai (teigiamai elektringos dalelės) ir neutronai (neutralios, teigiamai elektringos dalelės) yra sutelkti branduolyje, o mažesnieji elektronai (neigiamai įkrautos dalelės) sukasi aplink jį. Atomo masė yra šių dalelių masių suma, tačiau kadangi elektronai yra daug lengvesni, tik 0,06 % atomo masės sudaro elektronai.
Tačiau būtent elektronai suteikia atomui visas chemines savybes. Elektronų skaičius yra elemento atominis numeris. Kiekybinė mechanika mums sako, kad atomų elektronai gali turėti tik tam tikras, diskrečias energijas.
n-tojo lygmens energija apskaičiuojama pagal formulę

kur h – Planko konstanta, c – šviesos greitis, R_∞ – Rydbergo konstanta, o Z – atomo atominis numeris.

Kai elektronas pereina iš aukštesnio energijos lygmens į žemesnį, jis išspinduliuoja elektromagnetinės energijos kvantą (fotoną). Energija yra tų lygmenų energijų skirtumas ir ji išspinduliuojama dažniu f, kuris apskaičiuojamas pagal formulę

kur E₂ yra aukštesnio lygmens energija (t. y. pradinio elektrono lygmens), o E₁ – žemesnio lygmens energija (t. y. galutinio lygmens).

Toks spinduliavimas vadinamas spontaniškuoju arba radiaciniu spinduliavimu.

Tam, kad pilnai suprastume šio spinduliavimo dinamiką, svarbu prisiminti kai kurias atomo sandaros ypatybes.

Elektronai paklūsta kvantinės mechanikos dėsniams, kurie teigia, kad

• negalime rasti dalelės padėties ir impulso su begaliniu tikslumu (Heizenbergo neapibrėžtumo principas)
• galime žinoti tik tikimybę rasti dalelę tam tikroje erdvės vietoje, naudodami Šrėdingerio lygtį. Šios lygties sprendiniai duoda tikimybę kaip erdvės koordinatę. Todėl galime vizualizuoti erdvės sritį, kurioje sąveikos su dalelėmis tikimybė yra reikšminga.

Elektronų atome atveju Šrėdingerio lygties sprendiniai vadinami orbitalėmis.

Pauli draudimo principas leidžia tik dviem elektronams (po vieną kiekvienai elektronų savybei, vadinamai sukinio kryptimi) užimti vieną orbitalę, t. y. atitikti Šrėdingerio lygties sąlygas.

Atomo energijos lygmenų sandara ir perėjimai tarp jų priklauso nuo šių taisyklių.

Lazerio efektas

Žodis lazeris yra akronimas, reiškiantis Šviesos stiprinimą stimuliuotos spinduliuotės emisijos būdu (angl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Šio pavadinimo priežastis yra ta, kad kai turime elektronų aukštesniame energijos lygyje nei minimalus energijos lygis, elektromagnetinė banga, turinti tinkamą dažnį, gali paskatinti elektronų perėjimą į žemesnį lygį. Nuostabu tai, kad išspinduliuota elektromagnetinė banga turi tą patį dažnį, fazę ir kryptį kaip ir incidentinė stimuliuojanti banga.
 

Tai reiškia, kad incidentinė šviesa yra labai sustiprinama, nes

• ta pati išspinduliuotos šviesos kryptis lemia labai mažą šviesos spindulio išsisklaidymą (kolimacija)
• ta pati fazė reiškia, kad tarp fotonų nėra interferencijos (koherencija)

Norint pasiekti stiprią stimuliuotą emisiją, reikia „pumpuoti“ daug elektronų į tą patį lygį ir leisti jiems pereiti į žemesnį lygį kartu tuo pačiu metu.

Problema šioje situacijoje yra ta, kad jei elektronus pumpuojame į aukštesnį energijos lygį stimuliuotos energijos absorbcijos būdu, atomai spinduliuoja tokiu pačiu greičiu, kaip vyksta pumpavimas. Reikia „užrakinti“ elektronus lygyje, kuris nesuyra tokiu pačiu greičiu kaip pumpavimas.

Lazerio spinduliavimas

Kvantinės mechanikos dėsniai, taikomi elektroniniams lygiams, mums sako, kad skilimo greitis nėra vienodas kiekvienai lygių porai. Kiekvienas perėjimas turi būdingą skilimo laiką. Kai kurių perėjimų skilimo laikas yra labai trumpas (t. y. elektronas aukštesniame lygyje išbūna minimalų laiką), o kiti perėjimai gali neįvykti ilgą laiką.

Sistemoje, kurioje yra daug identiškų atomų, tam tikru momentu N₂ (tūrio vienete) atomų turi bent vieną elektroną lygyje 2, kuris turi didesnę energiją nei atitinkamas lygis 1 (mažesnės energijos), į kurį elektronas gali pereiti.

Atomų skaičius ΔN₂, kurie atlieka šį perėjimą (2 į 1) per tam tikrą laiko tarpą Δt, apskaičiuojamas pagal formulę

Kur skaičius A vadinamas Einšteino koeficientu ir yra atvirkštinis vidutinio gyvavimo laiko, kai vyksta spontaniška emisija elektrono lygyje 2.

Po gyvavimo laiko vidutinis atomų skaičius lygyje 2 yra , kur yra Napiero skaičius.

Kai atomą paveikia elektromagnetinė banga, kurios dažnis sutampa su atominio perėjimo dažniu, bangos fotonai priverčia atomą atlikti perėjimą.

Pagrindinis sužadintos emisijos skirtumas, palyginti su spontaniška emisija, yra tas, kad išspinduliuotas fotonas turi tą pačią fazę ir kryptį kaip ir krintanti banga.

Akivaizdu, kad gauname spinduliuotės sustiprėjimą, jei elektronų (populiacijos) skaičius lygyje 2 yra didesnis nei populiacija lygyje 1.

Trijų lygių atomas

Efektyvi konfigūracija, siekiant sukurti lazerio prietaisą, yra naudoti ne tik du atomų lygius (lazerio perėjimo lygį), bet ir trijų lygių konfigūraciją, kad būtų pasiekta vadinamoji populiacijos inversija aukštame lygyje, iš kurio incidentinės bangos stimulas leidžia atomams vienu metu spinduliuoti.

Norint pasiekti populiacijos inversiją, reikia „pumpuoti“ elektroną iš 1 lygio į 2 lygį naudojant elektromagnetinę bangą tinkamo dažnio, kuri suteikia atomams energijos pereiti į aukštesnį lygį.
Jei turime tik du lygius, elektromagnetinė banga pumpuoja elektronus iš žemesnio lygio į aukštesnį tokiu pat greičiu, kokiu banga stimuliuoja emisiją iš 2 lygio į 1 lygį. Reikia „užfiksuoti“ elektroną aukštesniame lygyje.

Naudojant tris atomų lygius, galime pumpuoti elektroną į aukštą lygį (3 lygį). Elektronas greitai pereina į tarpinį lygį (2 lygį) ir ten išlieka, kol banga tinkamo dažnio stimuliuoja perėjimą į 1 lygį.

Šiai procedūrai reikia dviejų skirtingų stimuliuojančių bangų su skirtingais dažniais. Pirmoji (pumpuojanti spinduliuotė) turi dažnį , o antroji (stimuliuojanti spinduliuotė) turi dažnį .

Prietaisas bus paruoštas „veikti“ dėl populiacijos inversijos, kurią sukelia pumpuojanti banga. Kai reikia lazerio emisijos, leidžiame stimuliuojančiai bangai praeiti pro medžiagą ir elektronai antrame lygyje visi kartu pereina į žemesnį lygį, sukeldami stiprią spinduliuotės emisiją.
Norint pilnai panaudoti stimuliuojančią incidentinę bangą lazerio prietaise, aktyvi medžiaga yra patalpinta tarp veidrodžių.

Šie veidrodžiai sudaro rezonansinę ertmę, kuri sustiprina spinduliuotės emisiją.

Be aktyvios medžiagos, tokios kaip rubinas, šiuolaikinėje technologijoje taip pat naudojami diodiniai lazeriai.