Лекция 20. Квантовая оптика. Фотобиология. Лазеры
До сих пор мы рассматривали свет как непрерывную волну, однако существует ряд явлений, когда свет ведет себя подобно потоку частиц, например, фотоэффект или эффект Комптона.
В квантовой оптике любая электромагнитная волна рассматривается как поток частиц – квантов или фотонов определенной частоты.
20.1. Кванты света. Фотоэффект
В 1900 г. в работе, посвященной равновесному тепловому излучению, немецкий физик М. Планк показал, что атомы излучают электромагнитную энергию отдельными порциями (квантами), которые пропорциональны частоте излучения ν,
E = hν. |
(20.1) |
Квант света – фотон – это как бы «фрагмент» электромагнитной волны. Как и для любой электромагнитной волны, связь между частотой ν фотона и его длиной волны λ имеет вид (в вакууме)
ν = |
c |
, |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
λ |
|
|
|
|
||
поэтому формулу Планка для энергии фотона можно записать в виде |
|
|
||||||
E = |
hc |
. |
|
|
(20.1)′ |
|||
|
|
|
||||||
|
|
λ |
|
|
|
|
||
Излучение фотона происходит при переходе электрона с более высокого |
||||||||
на более низкий энергетический уровень в атоме, рис. 20.1: |
|
|
|
|
||||
E2 – E1 = hν = hc/λ. |
|
|
(20.2) |
|||||
Причем, чем дальше уровни E1 и E2 друг от друга, тем больше энергия фотона, а, |
||||||||
значит, его частота. Длина волны фотона при этом уменьша- |
E2 |
e− |
||||||
ется. Поэтому переходы между близкими энергетическими |
|
|
|
|
||||
|
|
hν |
||||||
уровнями сопровождаются излучением фотонов с длинами |
|
|
||||||
E1 |
|
|
||||||
волн в красной области спектра, а между удаленными – в си- |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|||||
ней. У каждого атома периодической системы элементов есть строго определенный «набор» излучаемых длин волн –
спектр излучения атома. Это своеобразная «визитная карточка» элемента, отличающая его от всех остальных. Поэтому расчет энергетических уровней электронов в атоме – основная задача квантовой физики.
Как и всякая частица, квант света фотон имеет массу (но не массу покоя, фотоны вообще не существуют в состоянии покоя: относительно любой системы отсчета фотон движется со скоростью света) и импульс, которые можно
найти, учитывая, что E = mc2 = hν: |
|
|
|
|
|
|
m = |
hν |
, |
p = mc = |
hν |
. |
(20.3) |
c2 |
|
|||||
|
|
|
c |
|
||
По этой причине свет, падающий на поверхность, оказывает на нее давление (световое давление). Фотоны как частицы сталкиваются с поверхностью
133
и передают ей свой импульс (аналогично молекулам газа, сталкивающимся со стенками сосуда). Световое давление, конечно, очень маленькое.
Итак, луч света – это поток световых квантов – фотонов. Взаимодействие фотонов с другими частицами происходит в соответствии с законами сохранения импульса и энергии.
На опыте установлено, что при освещении некоторых металлов светом с их поверхности могут вылетать электроны. Это явление называется фотоэффектом. Закон сохранения энергии для фотоэффекта выражается следующей формулой (уравнение Эйнштейна):
hν = A + |
m |
e |
υ |
2 |
, |
(20.4) |
|
|
|
|
|||
вых |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где Авых – работа выхода электрона из металла, |
mе – масса покоя электрона, υ – |
|||||
максимальная скорость вылетающих электронов (все вылетающие электроны имеют разную скорость).
Минимальная частота света νкр, при которой еще возможен фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта и определяется из уравнения фотоэффекта при условии υ = 0 (электрон становится свободным, но не имеет на-
чальной скорости): |
|
hνкр = Авых. |
(20.4)′ |
Экспериментальное открытие фотоэффекта принадлежит русскому физику А.Г. Столетову. Измерительная схема, с помощью которой он изучал это явление, показана на рис. 20.2, а). В откачанном стеклянном баллоне размещались два плоских металлических электрода: катод и анод. При освещении катода из него вылетали электроны, и в цепи протекал ток. Без освещения тока не было. Схематическая зависимость силы тока от напряжения (вольтамперная характе-
|
|
S |
I |
|
|
|
Iн |
|
|
|
e− |
υ |
|
|
A |
|
|
||
V + |
I |
|
|
|
– |
|
|
||
|
|
Vз |
0 |
V |
|
а) |
Рис. 20.2 |
|
б) |
|
|
|
|
ристика) для такого вакуумного фотоэлемента изображена на рис. 20.2, б). Отметим, что с ростом напряжения ток увеличивается, но до определенного предела. Максимально возможный при данном освещении ток Iн называется током насыщения. При увеличении световой мощности источника S ток насыщения увеличивается. При уменьшении напряжения фототок падает. При смене полярности источника (V < 0) ток еще продолжает течь. Однако при определенном значении Vз электроны уже не могут долетать до противоположного электрода, и ток прекращается. Это напряжение называют задерживающим или запирающим.
В настоящее время фотоэлементы широко применяются в технике, особенно при проведении световых измерений, см. п. 18.3.
134
20.2. Элементы фотобиологии Фотобиология изучает взаимодействие света с биологическими объектами.
Поглощение света.
При прохождении светового луча через вещество фотоны поглощаются атомами или молекулами этого вещества, и мощность луча постепенно уменьшается. Этот процесс называется поглощением света1.
Закон поглощения света (закон Бугера – Ламберта):
J = J0 е–χL, |
(20.5) |
где J0 и J – интенсивности света до и после поглощения слоем вещества тол- |
|
щины L (как и интенсивность звуковой волны измеряется в Вт/м2); |
χ – показа- |
тель поглощения среды, зависящий от химической природы и состояния поглощающей среды, а также от длины волны света (размерность м–1).
Как видно из формулы (20.5), интенсивность экспоненциально убывает с ростом толщины слоя вещества, то есть, если толщина L >> 1/χ, то практически весь свет поглощается веществом.
Закон поглощения света лежит в основе действия фотоколориметров – приборов для измерения концентрации растворов.
Фотобиологические реакции.
Кфотобиологическим реакциям относятся процессы поглощения света биологически важными соединениями с последующей физиологической реакцией организма. Различают вредные и полезные фотобиологические реакции.
Вредные фотобиологические эффекты в организме человека и животных – это световые повреждения кожи и глаз под действием интенсивного инфра-
красного и ультрафиолетового излучений или видимого света, например, излучения лазера. Клинически они проявляются в форме эритемы2, пигментации, помутнения хрусталика, ожога роговицы или сетчатки и др.
Кполезным фотобиологическим реакциям человека и животных относят
зрение, фотопериодизм3, образование витамина D под действием ультрафио-
летового излучения. У растений важнейшими фотобиологическими реакциями являются фотосинтез, фототропизм4, фотопериодизм. У одноклеточных ор-
ганизмов хорошо выражен фототаксис5.
1Поглощение всегда сопровождается нагреванием вещества, то есть электромагнитная энергия фотонов переходит во внутреннюю энергию, преимущественно в тепловую.
2Характерное интенсивное покраснение кожи (ожог). Если не очень сильный, проходит через несколько дней, оставляя светло-коричневую пигментацию кожи (загар).
3Регуляция суточных и годовых циклов жизни растений и животных путем периодических воздействий свет-темнота. Например, процесс фотосинтеза у растений идет только на свету, в темноте он прекращается. Осенью с уменьшением продолжительности дня в средних широтах растения сбрасывают листья, даже если нет заморозков, а некоторые животные впадают в спячку.
4Движение органов растений (листья, стебель), обусловленные направленным действием света. Например, листья так ориентируют свою поверхность к источнику света, чтобы ее освещенность была максимальной.
5Направленные движения отдельных клеток или их органелл под действием света. Например, некоторые бактерии движутся к свету, некоторые – от света.
135
20.3. Лазеры и их применение
Квантовый генератор1, усиливающий оптическое излучение (свет), получил название лазер. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населенностью уровней энергии. Создание такой среды называется «накачкой». Например, в твердотельном рубиновом лазере возбуждение атомов происходит от мощной вспышки ксеноновой лампы. Трехуровневые системы, предназначенные для использования в оптическом диапазоне, работают по схеме рис. 20.3.
E3
E1
накачка
заселение рабочего уровня
E2 |
рабочий переход |
|
Рис. 20.3
Излучение накачки переводит атомы из состояния с энергией Е1 в состояние с энергией Е3. Из этого состояния атомы переходят в состояние с энергией Е2. Таких атомов становится все больше, и их число со временем начинает превышать число атомов в состоянии с энергией Е1. То есть населенность второго уровня увеличивается и со временем начинает превышать населенность первого. В этой среде первый же фотон, родившийся в результате спонтанного (самопроизвольного) излучения, вызовет нарастающую лавину идентичных ему фотонов. Произойдет усиление спонтанного излучения, и появится световой луч.
Лазерное излучение обладает следующими свойствами.
Высокая монохроматичность излучения: относительный разброс длин волн в лазерном луче Δλ/λ ~ 10–10.
Связанная с этим большая пространственная когерентность, см. п. 19.1,
формула (19.4). Длина когерентности ~ 5 км.
Очень малое угловое расхождение в пучке. Специальной фокусировкой удается получить угол расходимости луча менее 10–4 рад. Это очень маленький угол: луч лазера, направленный с Земли, создаст на Луне пятно диаметром в несколько километров. Луч обычного прожектора осветил бы поверхность диаметром в десятки тысяч километров.
Большая мощность лазерного излучения. Так, энергия импульса рубино-
вого лазера (красный луч) около 1 Дж, а длительность импульса 10–3 с. Поэтому
мощность излучения такого лазера порядка 1 кВт. Есть и более мощные лазеры ~ 108 Вт.
1 Разработан в 1954 г. советскими физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и независимо от них американским физиком Ч. Таунсом.
136
Со времени изобретения лазера были выявлены уникальные возможности его применения в технике, биологии и медицине.
Мощные лазеры используют для резки и сварки стальных листов (с высоким качеством сварного шва), поверхностной закалки, легирования деталей, резки мрамора и гранита, раскроя тканей и кожи. Лазеры малой мощности используют для сверления тонких ( 1-10 мкм) отверстий в любых материалах (даже в рубиновых и алмазных камнях), сварки миниатюрных деталей в микроэлектронике, изготовления печатных плат и интегральных микросхем, записи информации на оптические диски и ее считывания.
В биологических исследованиях используют лазеры малой мощности (несколько мВт), чтобы не повредить клеточные структуры. Тончайший лазерный луч диаметром всего в несколько микрон, обладающий большой интенсивностью, дает возможность «тонкого вмешательства» в клеточные и субклеточные процессы. Облучая определенные участки хромосом, можно управлять наследственностью. Лазер позволяет исследовать процесс фотосинтеза, изучить внутриклеточную локализацию биохимических соединений, распределение поглощенных клеткой веществ, а также выявить особенности патологических изменений в клетках, например, опухоли.
Лазер, работающий в красной области спектра, оказывает прогревающее действие и используется в терапии, а также для фотоактивирования семян с целью улучшения их всхожести.
Все большее применение лазеры находят в медицинской и ветеринарной клинической практике. Лазерный скальпель по линии разреза сразу же заваривает кровеносные сосуды, что делает операционное поле почти бескровным, обеспечивает стерильность, так как не касается ткани и приводит к гибели микроорганизмов в области разреза. Существенно, что лазерный скальпель не оказывает на ткань механического давления, а это уменьшает болезненность операции. Хирургическое применение лазер нашел и в офтальмологии для внутриглазных операций. Особенно эффективным оказалось использование лазерного луча при лечении отслоения сетчатки от глазного дна: луч применяется для спайки отслоившейся сетчатки с поверхностью сосудистой оболочки.
Заканчивая речь о лазерах, отметим, что обращаться с ними нужно в высшей степени осторожно (даже с очень маломощными в несколько мВт)!
Попадание в глаз лазерного луча мгновенно вызывает ожог сетчатки: полное необратимое разрушение светочувствительных нервных клеток (палочек и колбочек).
Вопросы к лекции 20
1.Что изучает квантовая физика? Какие объекты относят к микрочастицам?
2.В чем сущность корпускулярно-волнового дуализма для микрочастиц? Приведите примеры.
3.Сформулируйте принцип неопределенности Гейзенберга. Почему этот принцип «неточности» не мешает точной работе современных устройств, основанных на принципах квантовой физики (интегральных микросхем, светодиодов, лазеров, электронных и туннельных микроскопов и др.)?
4.Сформулируйте принцип дополнительности Бора и поясните его сущность.
137
5.Напишите уравнение Шредингера и назовите входящие в нее величины.
6.В чем заключается физический смысл волновой функции какой-либо микрочастицы?
7.Проведите сравнение основных положений классической и квантовой физики.
8.Что такое фотоны, и как они появляются? Как меняется длина волны фотонов с увеличением их частоты?
9.Напишите формулу Планка и назовите входящие в нее величины.
10.Какое явление называют фотоэффектом? Напишите уравнение для этого явления и поясните физический смысл входящих в него величин.
11.Что такое красная граница фотоэффекта?
12.Нарисуйте схему фотоэлемента, опишите принцип его работы и постройте его вольтамперную характеристику. Где используются эти приборы?
13.Напишите закон поглощения света, назовите входящие в него величины и постройте схематический график зависимости J(L).
14.С помощью закона сохранения энергии объясните причину нагрева тел, на которые падает свет.
15.Приведите примеры фотобиологических реакций.
16.К каким последствиям приведет остановка процесса фотосинтеза в клетках растений?
17.Будут ли опадать листья у саженцев березы, растущих в теплице с круглосуточным освещением? Ответ обоснуйте.
18.Почему на ваш взгляд при искусственном освещении повышается яйценоскость кур на птицефабриках?
19.Опишите общий принцип работы лазера и дайте краткую характеристику лазерного излучения.
20.Приведите примеры использования лазеров в технике, биологии, медицине и ветеринарии.
21.Почему даже маломощные лазеры в несколько милливатт представляют серьезную опасность для здоровья?
138