1. Αρχή της παραγωγής λέιζερ
Η ατομική δομή είναι σαν ένα μικρό ηλιακό σύστημα, με τον ατομικό πυρήνα στη μέση. Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται συνεχώς γύρω από τον ατομικό πυρήνα, και ο ατομικός πυρήνας περιστρέφεται επίσης συνεχώς.
Ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Τα πρωτόνια είναι θετικά φορτισμένα και τα νετρόνια είναι αφόρτιστα. Ο αριθμός των θετικών φορτίων που φέρει ολόκληρος ο πυρήνας είναι ίσος με τον αριθμό των αρνητικών φορτίων που φέρει ολόκληρα τα ηλεκτρόνια, επομένως γενικά τα άτομα είναι ουδέτερα ως προς τον έξω κόσμο.
Όσον αφορά τη μάζα ενός ατόμου, ο πυρήνας συγκεντρώνει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του ατόμου και η μάζα που καταλαμβάνεται από όλα τα ηλεκτρόνια είναι πολύ μικρή. Στην ατομική δομή, ο πυρήνας καταλαμβάνει μόνο έναν μικρό χώρο. Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα και τα ηλεκτρόνια έχουν πολύ μεγαλύτερο χώρο για δραστηριότητα.
Τα άτομα έχουν «εσωτερική ενέργεια», η οποία αποτελείται από δύο μέρη: το ένα είναι ότι τα ηλεκτρόνια έχουν μια ταχύτητα τροχιάς και μια ορισμένη κινητική ενέργεια· το άλλο είναι ότι υπάρχει μια απόσταση μεταξύ των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων και του θετικά φορτισμένου πυρήνα, και υπάρχει μια ορισμένη ποσότητα δυναμικής ενέργειας. Το άθροισμα της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας όλων των ηλεκτρονίων είναι η ενέργεια ολόκληρου του ατόμου, η οποία ονομάζεται εσωτερική ενέργεια του ατόμου.
Όλα τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Μερικές φορές πιο κοντά στον πυρήνα, η ενέργεια αυτών των ηλεκτρονίων είναι μικρότερη. Μερικές φορές πιο μακριά από τον πυρήνα, η ενέργεια αυτών των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη. Ανάλογα με την πιθανότητα εμφάνισης, οι άνθρωποι διαιρούν το στρώμα ηλεκτρονίων σε διαφορετικά «Ενεργειακά Επίπεδα». Σε ένα συγκεκριμένο «Ενεργειακό Επίπεδο», μπορεί να υπάρχουν πολλά ηλεκτρόνια σε συχνή τροχιά και κάθε ηλεκτρόνιο δεν έχει σταθερή τροχιά, αλλά όλα αυτά τα ηλεκτρόνια έχουν το ίδιο επίπεδο ενέργειας. Τα «Ενεργειακά Επίπεδα» είναι απομονωμένα το ένα από το άλλο. Ναι, είναι απομονωμένα ανάλογα με τα ενεργειακά επίπεδα. Η έννοια του «ενεργειακού επιπέδου» όχι μόνο διαιρεί τα ηλεκτρόνια σε επίπεδα ανάλογα με την ενέργεια, αλλά και διαιρεί τον τροχιακό χώρο των ηλεκτρονίων σε πολλαπλά επίπεδα. Με λίγα λόγια, ένα άτομο μπορεί να έχει πολλαπλά ενεργειακά επίπεδα και διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα αντιστοιχούν σε διαφορετικές ενέργειες. Μερικά ηλεκτρόνια περιστρέφονται σε «χαμηλή ενεργειακή στάθμη» και μερικά ηλεκτρόνια σε «υψηλή ενεργειακή στάθμη».
Στις μέρες μας, τα βιβλία φυσικής του γυμνασίου έχουν επισημάνει με σαφήνεια τα δομικά χαρακτηριστικά ορισμένων ατόμων, τους κανόνες κατανομής ηλεκτρονίων σε κάθε ηλεκτρονιακή στιβάδα και τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα.
Σε ένα ατομικό σύστημα, τα ηλεκτρόνια κινούνται βασικά σε στρώσεις, με ορισμένα άτομα σε υψηλά ενεργειακά επίπεδα και μερικά σε χαμηλά ενεργειακά επίπεδα. Επειδή τα άτομα επηρεάζονται πάντα από το εξωτερικό περιβάλλον (θερμοκρασία, ηλεκτρισμός, μαγνητισμός), τα ηλεκτρόνια υψηλού ενεργειακού επιπέδου είναι ασταθή και θα μεταβούν αυθόρμητα σε χαμηλό ενεργειακό επίπεδο, η επίδρασή τους μπορεί να απορροφηθεί ή μπορεί να παράγει ειδικά φαινόμενα διέγερσης και να προκαλέσει «αυθόρμητη εκπομπή». Επομένως, στο ατομικό σύστημα, όταν τα ηλεκτρόνια υψηλού ενεργειακού επιπέδου μεταβαίνουν σε χαμηλά ενεργειακά επίπεδα, θα υπάρχουν δύο εκδηλώσεις: «αυθόρμητη εκπομπή» και «διεγερμένη εκπομπή».
Αυθόρμητη ακτινοβολία, τα ηλεκτρόνια σε καταστάσεις υψηλής ενέργειας είναι ασταθή και, επηρεασμένα από το εξωτερικό περιβάλλον (θερμοκρασία, ηλεκτρισμός, μαγνητισμός), μεταναστεύουν αυθόρμητα σε καταστάσεις χαμηλής ενέργειας και η περίσσεια ενέργειας ακτινοβολείται με τη μορφή φωτονίων. Το χαρακτηριστικό αυτού του είδους ακτινοβολίας είναι ότι η μετάβαση κάθε ηλεκτρονίου πραγματοποιείται ανεξάρτητα και είναι τυχαία. Οι καταστάσεις φωτονίων της αυθόρμητης εκπομπής διαφορετικών ηλεκτρονίων είναι διαφορετικές. Η αυθόρμητη εκπομπή φωτός βρίσκεται σε «ασυνάρτητη» κατάσταση και έχει σκεδασμένες κατευθύνσεις. Ωστόσο, η αυθόρμητη ακτινοβολία έχει τα χαρακτηριστικά των ίδιων των ατόμων και τα φάσματα της αυθόρμητης ακτινοβολίας διαφορετικών ατόμων είναι διαφορετικά. Μιλώντας για αυτό, υπενθυμίζει στους ανθρώπους μια βασική γνώση της φυσικής: «Οποιοδήποτε αντικείμενο έχει την ικανότητα να ακτινοβολεί θερμότητα και το αντικείμενο έχει την ικανότητα να απορροφά και να εκπέμπει συνεχώς ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που ακτινοβολούνται από τη θερμότητα έχουν μια ορισμένη κατανομή φάσματος. Αυτή η κατανομή φάσματος σχετίζεται με τις ιδιότητες του ίδιου του αντικειμένου και τη θερμοκρασία του». Επομένως, ο λόγος ύπαρξης της θερμικής ακτινοβολίας είναι η αυθόρμητη εκπομπή ατόμων.
Στην διεγερμένη εκπομπή, ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας μεταβαίνουν σε χαμηλή ενέργεια υπό την «διέγερση» ή «επαγωγή» «φωτονίων κατάλληλων για τις συνθήκες» και ακτινοβολούν ένα φωτόνιο της ίδιας συχνότητας με το προσπίπτον φωτόνιο. Το μεγαλύτερο χαρακτηριστικό της διεγερμένης ακτινοβολίας είναι ότι τα φωτόνια που παράγονται από την διεγερμένη ακτινοβολία έχουν ακριβώς την ίδια κατάσταση με τα προσπίπτοντα φωτόνια που παράγουν διεγερμένη ακτινοβολία. Βρίσκονται σε «συνεκτική» κατάσταση. Έχουν την ίδια συχνότητα και την ίδια κατεύθυνση και είναι εντελώς αδύνατο να διακρίνουμε τις δύο διαφορές μεταξύ τους. Με αυτόν τον τρόπο, ένα φωτόνιο γίνεται δύο πανομοιότυπα φωτόνια μέσω μίας διεγερμένης εκπομπής. Αυτό σημαίνει ότι το φως εντείνεται ή «ενισχύεται».
Ας αναλύσουμε ξανά, ποιες συνθήκες χρειάζονται για να λάβουμε όλο και πιο συχνή διεγερμένη ακτινοβολία;
Υπό κανονικές συνθήκες, ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε υψηλά ενεργειακά επίπεδα είναι πάντα μικρότερος από τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε χαμηλά ενεργειακά επίπεδα. Αν θέλετε τα άτομα να παράγουν διεγερμένη ακτινοβολία, θέλετε να αυξήσετε τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε υψηλά ενεργειακά επίπεδα, επομένως χρειάζεστε μια «πηγή αντλίας», της οποίας ο σκοπός είναι να διεγείρει περισσότερα. Πάρα πολλά ηλεκτρόνια χαμηλού ενεργειακού επιπέδου μεταπηδούν σε υψηλά ενεργειακά επίπεδα, επομένως ο αριθμός των ηλεκτρονίων υψηλού ενεργειακού επιπέδου θα είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των ηλεκτρονίων χαμηλού ενεργειακού επιπέδου και θα συμβεί μια «αντιστροφή του αριθμού των σωματιδίων». Πάρα πολλά ηλεκτρόνια υψηλού ενεργειακού επιπέδου μπορούν να παραμείνουν μόνο για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Ο χρόνος θα μεταπηδήσει σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο, επομένως η πιθανότητα διεγερμένης εκπομπής ακτινοβολίας θα αυξηθεί.
Φυσικά, η «πηγή αντλίας» έχει ρυθμιστεί για διαφορετικά άτομα. Κάνει τα ηλεκτρόνια να «συντονίζονται» και επιτρέπει σε περισσότερα ηλεκτρόνια χαμηλής ενέργειας να μεταπηδούν σε υψηλά ενεργειακά επίπεδα. Οι αναγνώστες μπορούν βασικά να καταλάβουν τι είναι το λέιζερ; Πώς παράγεται το λέιζερ; Το λέιζερ είναι «ακτινοβολία φωτός» που «διεγείρεται» από τα άτομα ενός αντικειμένου υπό την επίδραση μιας συγκεκριμένης «πηγής αντλίας». Αυτό είναι το λέιζερ.
Ώρα δημοσίευσης: 27 Μαΐου 2024
