1. Uuri

Aatomid

Mis on aatomi struktuur?

Aatom on väikseim aine osa, millel on keemilised omadused. 1 grammis vesinikus on 6,022⋅10^23 aatomit. See sisaldab kolme tüüpi elementaarosakesi, mis moodustavad aine. Prootonid (positiivselt laetud osakesed) ja neutronid (neutraalsed, positiivselt laetud osakesed) on pakitud tuuma, samal ajal kui väiksemad elektronid (negatiivselt laetud osakesed) paiknevad tuuma ümber. Aatomi mass on nende osakeste masside summa, kuid kuna elektronid on palju kergemad, moodustab ainult 0,06% aatomi massist elektronide mass.
Kuid just elektronid annavad aatomile kõik selle keemilised omadused. Elektronite arv on elemendi aatomnumber. Kvantmehaanika ütleb meile, et aatomis võivad elektronid omada ainult teatud diskreetseid energiatasemeid.
n-nda taseme energia leitakse valemiga

kus h on Plancki konstant, c on valguse kiirus, R_∞ on Rydbergi konstant ja Z on aatomi aatomnumber.

Kui elektron liigub kõrgemalt energiatsoonilt madalamale, kiirgab ta välja elektromagnetilise energia kvandi (footoni). Energia on nende tasemete energiade vahe ning see kiiratakse sagedusega f, mis leitakse valemiga

kus E₂ on kõrgema taseme energia (st elektroni algtase) ja E₁ on madalama taseme energia (st sihttase).

Seda tüüpi kiirgust nimetatakse spontaanseteks või radiatiivseteks kiirguseks.

Selle kiirguse dünaamika täielikuks mõistmiseks on oluline meenutada mõningaid aatomi ehituse omadusi.

Elektronid alluvad kvantmehaanika seadustele, mis ütlevad meile, et

• me ei saa määrata osakeste asukohta ja impulssi lõpmatu täpsusega (Heisenbergi määramatuse printsiip)
• me saame teada ainult tõenäosuse, et osake asub mingis kindlas ruumipunktis, kasutades Schrödingeri võrrandit. Selle võrrandi lahendused annavad meile tõenäosuse ruumikoordinaatide funktsioonina. Selle tulemusena saame visualiseerida ruumipiirkonna, kus osakese interaktsiooni tõenäosus pole tühine.

Aatomi elektronide puhul nimetatakse Schrödingeri võrrandi lahendusi orbitaalideks.

Pauli keeluprintsiip lubab ühte orbitaali (st Schrödingeri võrrandi tingimusi rahuldavasse olekusse) paigutada ainult kaks elektroni (üks kummagi spinnisuuna kohta).

Aatomi energiatasemete struktuur ja üleminekud nende vahel sõltuvad nendest reeglitest.

Laseriefekt

Sõna laser on akronüüm ingliskeelsest väljendist Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (valguse võimendamine stimuleeritud kiirguse abil).

Selle nime põhjuseks on asjaolu, et kui meil on mõned elektronid kõrgemal tasemel kui minimaalne energiataset, võib õige sagedusega elektromagnetlaine stimuleerida elektronide üleminekut madalamale tasemele. Hämmastav on see, et kiiratud elektromagnetlaine omab sama sagedust, faasi ja suunda nagu langev stimuleeriv laine.
 

See tähendab, et langev valgus on tugevalt võimendatud, kuna

• kiiratud valguse sama suund põhjustab valguskiire väga väikese hajumise (kollimatsioon)
• sama faas tähendab, et footonite vahel pole interferentsi (koherentsus)

Selleks, et saavutada võimas stimuleeritud kiirgus, peame pumpama suure hulga elektrone samale tasemele ja laskma neil üheaegselt madalamale tasemele langeda.

Probleem selles olukorras seisneb selles, et kui pumpame mõned elektronid kõrgemale energiatasemele stimuleeritud energia neeldumise kaudu, siis aatomid kiirgavad sama kiirusega, nagu pumpamine toimub. Me peame “lukustama” elektronid tasemele, mis ei lagune sama kiiresti kui pumpamine.

Laserkiirgus

Kvantmehaanika seadused, mis rakenduvad elektronide tasemetele, ütlevad meile, et lagunemiskiirus ei ole iga tasemepaari puhul ühesugune. Igal üleminekul on iseloomulik lagunemisaeg. Mõnel üleminekul on väga lühike lagunemisaeg (st elektron viibib ülemisel tasemel minimaalse aja), samas kui teised üleminekud võivad toimuda alles pika aja pärast.

Süsteemis, kus on palju identseid aatomeid, on teatud ajahetkel N₂ (ühikus ruumala kohta) aatomil vähemalt üks elektron tasemel 2, mille energia on kõrgem kui vastaval tasemel 1 (madalam energia), kuhu elektron saab minna.

Aatomite arv ΔN₂, mis selle ülemineku (2 → 1) teatud aja Δt jooksul teeb, on antud valemiga

Kus arv A nimetatakse Einsteini koefitsiendiks ja see on spontaanse kiirguse keskmise eluea pöördväärtus elektroni jaoks tasemel 2.

Pärast eluiga on tasemel 2 olevate aatomite keskmine arv , kus on Napieri arv.

Kui aatomit tabab elektromagnetlaine, mille sagedus on sama, mis aatomüleminekul, sunnivad laine footonid aatomit üleminekut läbima.

Stimuleeritud kiirguse põhiline erinevus spontaanse kiirgusega võrreldes seisneb selles, et kiiratav footon on sama faasi ja suunaga nagu langev laine.

Ilmselgelt saavutame kiirguse tugevnemise, kui tasemel 2 olevate elektronide (populatsiooni) arv on suurem kui tasemel 1 olevate elektronide arv.

Kolmetasandiline aatom

Tõhusa laserseadme saavutamiseks kasutatakse mitte ainult aatomi kahte taset (lasersiirde tase), vaid kolmetasandilist konfiguratsiooni, et saavutada niinimetatud populatsiooniinversioon kõrgel tasemel, kust langeva laine stimuleerimisel saavad aatomid kiirata samaaegselt.

Populatsiooniinversiooni saavutamiseks peame pumpama elektroni tasemelt 1 tasemele 2 elektromagnetlaine abil, millel on õige sagedus ning mis annab aatomitele energiat kõrgemale tasemele hüppamiseks.
Kui meil on ainult kaks taset, siis elektromagnetlaine pumpab elektronid madalamalt tasemelt kõrgemale samal määral, kui laine stimuleerib kiirgustasemelt 2 tasemele 1. Meil on vaja elektron “lõksu püüda” kõrgemal tasemel.

Kasutades aatomi kolme taset, saame pumbata elektroni kõrgele tasemele (tase 3). Elektron langeb kiiresti vahepealsesse tasemesse (tase 2) ja jääb sinna seni, kuni õige sagedusega laine stimuleerib ülemineku tasemele 1.

Selle protseduuri jaoks on vaja kahte erineva sagedusega stimuleerivat lainet. Esimesel (pumpamiskiirgus) on sagedus , samal ajal kui teisel (stimuleeriv kiirgus) on sagedus .

Seade seatakse “valmisoleku” seisundisse pumpamislaine põhjustatud populatsiooniinversiooni abil. Kui on vaja laserkiirgust, lastakse stimuleeriv laine materjalist läbi ning teise taseme elektronid langevad kõik korraga, tekitades tugeva kiirguse.
Stimuleeriva langeva laine täielikuks ärakasutamiseks laseris paigutatakse aktiivne materjal peeglite vahele.

Need peeglid moodustavad resonantsõõnsuse, mis võimendab kiirguse emissiooni.

Lisaks aktiivsetele materjalidele nagu rubiin kasutatakse tänapäeva tehnoloogias ka dioodlasereid.