Феноменологическое определение Эйнштейна [править]

Частота спонтанного электромагнитного излучения  определяется разностью энергий i-го и k-го уровней системы:

Если населённость уровня с энергией  равна , то мощность спонтанного излучения равна:

Полная вероятность спонтанного излучения:

Сила осцилляторов:

Скорость спонтанной релаксации постоянна? [править]

Феменологически введенная Эйнштейном скорость спонтанной релаксации долгое время считалась внутренним неотъемлемым свойством атомов(молекул). При термодинамическом равновесии с окружением одним из важнейших признаков этого свойства является его необратимость. Эта особенность обусловлена взаимодействием атома (молекулы) с бесконечным числом мод вакуумного состояния. Изменение числа мод приводит к изменению скорости спонтанной релаксации. Что бы этого добиться можно поместить атом в резонатор ^[1].

Рассмотрим одноэлектронный атом, у которого два энергетических уровня  и , разделенных между собой на величину . Среднее квадратичное амплитуды электрического вакуумного поля  равно , где  - восприимчивость среды,  - объём пространства, в котором распространяется излучение. Энергия, которая излучается в одну моду равна , здесь  матричный элемент электрического диполя. Эту частоту называют вакуумной Раби частотой.

Вероятность  излучения фотона, известная как  - коэффициент Эйнштейна, равна

 здесь  число мод в единичном частотном интервале (плотность мод).

Вероятность найти атом в возбужденном состоянии в момент времени  после его возбуждения на уровень  равна 

Причина спонтанного излучения [править]

Процесс спонтанного излучения невозможно объяснить с позиций первоначальной версии квантовой механики, где имело место квантование уровней энергии атома, но не было квантования электромагнитного поля. Возбужденые состояния атомов представляют собой точные стационарные решения уравнения Шредингера. Таким образом, атомы должны оставаться неограниченно долго в возбужденном состоянии. Причиной спонтанного излучения является взаимодействие атома с нулевыми колебаниями электромагнитного поля в вакууме. Состояния атома перестают быть стационарными в результате воздействия составляющей нулевых колебаний с частотой, равной частоте испускаемого кванта.^[2]

Ква́нтовый генератор — общее название источников электромагнитного излучения, работающих на основе вынужденного излучения атомов и молекул. В зависимости от того, какуюдлину волны излучает квантовый генератор, он может называться по разному: лазер, мазер, разер, газер.

История создания [править]

Квантовый генератор основан на принципе вынужденного излучения, предложенного А. Эйнштейном: когда квантовая система возбуждена и одновременно присутствует излучение соответствующей квантовому переходу частоты, вероятность скачка системы на более низкий энергетический уровень повышается пропорционально плотности уже присутствующих фотонов излучения. На возможность создания квантового генератора на этой основе указал советский физик В. А. Фабрикант в конце 40-х годов.

Первый мазер на молекулах аммиака был сделан в 1954 году одновременно и независимо в Физическом институте Академии наук СССР Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и в Колумбийском университете Ч. Таунсом с сотрудниками. В 1964 году за эту работу им была присуждена Нобелевская премия по физике.

Применение оптических квантовых генераторов ( лазеров) позволяет существенно расширить границы традиционных оптических методов контроля и создать принципиально новые методы оптического неразрушающего контроля, например, голографические, акустооптические и др. Лазерная дефектоскопия базируется на использовании основных свойств лазерного излучения - монохроматичности, когерентности и направленности. [1]

Применение оптических квантовых генераторов, дающих большую интенсивность излучения, позволило значительно увеличить изображение интерферометрической картины. [2]

Работники, занятые в производстве и применении оптических квантовых генераторов. [3]

Схема измерения перемещений с применением ОКГ.

Рассмотрим некоторые устройства для измерения перемещений с применением оптических квантовых генераторов ( ОКГ), используемые в Московском авиационном институте. [4]

Метрологические институты работают над созданием аппаратуры для измерения длин ( в том числе больших) с применением оптических квантовых генераторов, новых высококачественных стабильных во времени штриховых и концевых мер длины; универсальных автоматических измерительных приборов для измерений до 1 м с погрешностью 1 мкм и менее. Создается ряд новых производственных приборов высокой точности, позволяющих автоматизировать не только процесс измерения линейных и угловых размеров, но и введение поправок. [5]

Другие области химии также могут взять лазер на вооружение. Все более отчетливо вырисовывается перспектива применения оптического квантового генератора для инициирования многих химических процессов, в частности диссоциации, синтеза и катализа, и для управления ими. Когда колебания лазерного луча приводятся в резонанс с частотой колебаний молекул, путем наращивания энергии колебаний можно добиться разрыва химической связи, ведущего к образованию химических активных осколков молекул. Поэтому в будущем химики смогут ( сначала теоретически и частично в лаборатории) избирательно разрывать химические связи и затем целенаправленно строить новые молекулярные структуры. Для успешной реализации этих возможностей нужно, очевидно, иметь в распоряжении лазер с непрерывно меняющейся частотой или набор лазеров с различными частотами. [6]

Ломаченко, Я. И. Бовсуновский), разрабатывали теоретические вопросы механики процесса резания ( О. К. Зворыкин) и др. Начаты исследования по применению оптических квантовых генераторов для обработки металлов. [7]

Для изменения интенсивности излучения или модуляции применяются, кроме механических модуляторов, импульсные лампы, ячейки Керра и другие модулирующие устройства. Особенно часто они применяются в геодезических дальномерах. Ячейки Керра используются в дальномерах с применением оптических квантовых генераторов. [8]

Очень интересны и важны применения лазеров в биологии, медицине, геодезии и картографии, в системах локации спутников и во многих других областях. Следует подчеркнуть, что постоянно расширяется сфераприменений оптических квантовых генераторов. [9]

Один из новых методов - голография - подробно описан в гл. Изучение атомно-молекулярных процессов, протекающих в излучающей среде лазеров, а также рассеяния света и фотолюминесценции с применением лазеров позволило получить большой объем сведений в атомной и молекулярной физике, равно как и в физике твердого тела. Оптические квантовые генераторы заметно изменили облик фотохимии; с помощью мощного лазерного излучения могут производиться разделение изотопов и осуществляться направленные химические реакции. Благодаря монохроматичности излучения оптических квантовых генераторов оказывается сравнительно простыми измерения сдвига частоты, возникающего при рассеянии света вследствие эффекта Доплера; этот метод широко используется в аэро-и гидродинамике для излучения поля скоростей в потоках газов и жидкостей. Очень интересны и важны применения лазеров в биологии, медицине, геодезии и картографии, в системах локации спутников и во многих других областях. Следует подчеркнуть, что постоянно расширяется сфера применений оптических квантовых генераторов.

Термоэлектро́нная эми́ссия (эффект Ричардсона, эффект Эдисона) — явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы — вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность батареи, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы — электроны.

Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения — вольт-амперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом трех вторых (установлен русским физиком С. А. Богуславским (1883— 1923) и американским физиком И. Ленгмюром (1881 — 1957)): , где В — коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики: , где А — работа выхода электронов из катода, Т — термодинамическая температура, С — постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов (это не подтверждается экспериментом, что, по-видимому, объясняется поверхностными эффектами). Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочноземельного металла), работа выхода которых равна 1 −1,5 эВ.

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа многих вакуумных электронных приборов.

Я́дерный реа́ктор — это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор построен и запущен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. Первым реактором, построенным за пределами США, стал ZEEP, запущенный в Канаде в сентябре 1945 года^[1]. В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1, заработавшая 25 декабря 1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова.^[2]

К 1978 году в мире работало уже около сотни ядерных реакторов различных типов. Составными частями любого ядерного реактора являются: активная зона с ядерным топливом, обычно окруженная отражателем нейтронов, теплоноситель, система регулирования цепной реакции, радиационная защита, система дистанционного управления. Корпус реактора подвержен износу (особенно под действием ионизирующего излучения)^[3]. Основной характеристикой ядерного реактора является его мощность. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происходит 3·10¹⁶ актов деления в 1 сек.