Атомы – светильники мира

Атомы — вот главные светильники мира. Каждый атом — фонарик. Он то и дело вспыхивает мгновенной вспышкой, посылает в пространство крошечный сгусточек световых волн, квант электромагнитной энергии, то, что физики именуют фотоном. Бесчисленные мириады фотонов, наполняющие и пронизывающие наш мир,— это и есть свет. А по какой причине атом дает такие вспышки! Что заставляет его светить?

Ученые говорят: атом светит потому, что иногда бывает возбужден. Возбужденный атом склонен к действию, к выделению излишка внутренней энергии, которая его как бы «распирает». И освободиться от этого излишка он может, излучив фотон. Получил атом откуда-то лишнюю энергию, стал возбужденным, а потом выбросил эту энергию прочь, испустил квант света и вернулся в нормальное невозбужденное состояние — вот вам, в грубых чертах, физическое содержание сияния звезды, сверкания молнии, горения свечи. В разных условиях возбуждаются атомы по-разному. (К слову вполне возможно, что в будущем ученые изобретут специальный влагозащищенный прожектор, работающий благодаря свечению атомов)

Проще всего заставить их светиться, воздействуя теплом. Вы чиркнули спичкой. Температура в ее головке поднялась до тысячи градусов, выделился газ, в котором атомы с бешеными скоростями носятся, сталкиваются друг с другом. Соударяясь, они возбуждаются, тут же освобождаются от полученной в столкновениях энергии, излучая фотоны. И вы видите светящееся пламя.

Чуть-чуть физической оптики

Атом — неисчерпаемо сложный естественный механизм. Все в нем особое, своеобразное, не похожее на то, что мы встречаем в нашем мире больших тел. Процессы, протекающие в атоме, подчиняются труднодостижимым квантовым закономерностям, понять которые ученым удалось лишь сравнительно недавно — за несколько последних десятилетий. Среди странных «черт характера» атома есть и такая: он «не умеет» поглощать какие угодно количества энергии. Атом способен вобрать в себя лишь строго определенные ее порции — их-то и называют квантами. «Меню» атомов, набор «усвояемых» порций энергии у атомов разных химических элементов неодинаков. Причем, излучают атомы точно такие же порции энергии, как и поглощают. Поэтому светятся разные атомы по-разному, спектры их излучения различны. Одни дают, скажем, больше красных лучей, другие — зеленых, третьи — голубых. Недаром по спектру можно определить химический состав вещества: атомы ставят на нем собственный, только им присущий «автограф».

С этой своеобразной особенностью связаны тысячи явлений, наблюдаемых нами ежечасно и ежеминутно. В частности, именно поэтому видимые нами вещи разноцветны. Вы освещаете цветную картинку белым светом (смесь лучей всех цветов радуги), атомы картинки выбирают из этого сборища лучей те, которые ими могут быть поглощены, вбирают их в себя, а все остальные отбрасывают прочь — отражают. Так как на картине — атомы разных химических элементов, то одни из них «глотают» красные лучи, другие — зеленые и т. д. А отраженные лучи и создают в наших глазах цветное изображение.

Итак, освещаемые атомы поглощают или отражают свет. Поглотив световой квант, атом возбуждается. И избыток полученной при этом энергии он может испустить в виде света же (либо тотчас, либо некоторое время спустя). Это тоже весьма распространенное явление. Светящиеся циферблаты часов, лампы дневного света — множество изобретений основано на нем. Причем, светят атомы лучами, состоящими опять-таки из фотонов «признаваемых» ими энергий, из тех «световых блюд», что входят в постоянный «рацион» атомов.

И, наконец, еще один вопрос. Что произойдет, если осветить такими фотонами атомы уже возбужденные, заранее снабженные излишком энергии, но еще не выбросившие его! Тогда может случиться так называемое отрицательное поглощение. Явление очень интересное и оказавшееся ныне чрезвычайно важным для науки и практики.

Фотоны дают потомство

Пусть атом возбужден (каким угодно способом, хотя бы ударом). И вот на него летит фотон с энергией, в точности равной энергии возбуждения атома. «Проглотить» этот фотон наш атом не сможет. Он уже «сыт». Но зато под воздействием налетающего фотона атом поспешит выбросить энергию своего возбуждения в виде второго, точно такого же фотона и вернется в нормальное, невозбужденное состояние. Это и есть ныне прославившееся явление отрицательного поглощения. Чем же оно замечательно!

Главное: был один фотон, а стало два. И совершенно одинаковых. Мало того, что оба обладают той же самой энергией. Очень важно и другое: оба летят в одном направлении. Второй, излученный атомом фотон помчался, оказывается, в ту же сторону, что и первый, «задевший» атом. Наконец, электромагнитные колебания и первого и второго кванта света практически совпадают, следуют точно в такт друг другу. Никакими средствами нельзя отличить, какой из фотонов вызвал вынужденное излучение, а какой — вызван. Это строгое равенство, тождественность фотона-«отца» и фотона-«сына», вытекающие из глубинных квантовых закономерностей атомных явлений, ведут к далеко идущим последствиям.

Ведь каждый из одинаковых фотонов может в свою очередь встретиться с возбужденным атомом. Тогда вместо двух фотонов станет четыре, потом вместо четырех — восемь, вместо восьми — шестнадцать и т. д. В среде, состоящей из возбужденных атомов, один-единственный неуловимо махонький фотон способен породить лавину света, в мгновение ока тысячекратно размножиться, дать громадный поток световых частиц — абсолютно одинаковых и летящих в одном направлении. Другими словами, крошечный световой сигнальчик сулит превратиться в могучую вспышку, в мощный и чрезвычайно своеобразный по свойствам луч. Это будет луч поистине небывалый, совсем не похожий на обычные лучи света.

Взять хоть то, что в обыкновенном луче энергии фотонов в силу множества причин рознятся друг от друга. В какие бы ухищрения вы не пускались, получить строго одноцветного луча от лампы вам не удастся. Частота разных фотонов, их цвет, всегда будут размыты. Будто хор поет фальшивыми голосами. А в нашем луче-лавине атомы «поют» свою световую «песню» без всякой «фальши», идеально правильно, на одном световом «тоне», буквально в одной точке спектра. Физики очень ценят столь чистый свет и называют его монохроматическим.

В обычном луче — идущем от свечи, от дуги прожектора, от нити электрической лампочки — фотоны рождены атомами, которые излучают их беспорядочно. Там световые кванты мчатся случайной толпой. В нашем луче-лавине атомы вспыхивают почти одновременно (лучше сказать, в одной фазе по отношению к волновому фронту) — будто по взмаху дирижерской палочки. Световые колебания следуют ровными шеренгами, слаженно, четко. Такой луч тоже очень ценят физики и называют его когерентным.

Наконец, обычный световой поток — это сноп, веер расходящихся лучей. Желая сделать его узким, нерасходящимся, дальнобойным, ставят большие вогнутые зеркала (в тех же прожекторах). Но это не так уж хорошо спасает луч от «разжижения». Иное дело наш луч-лавина. В нем фотоны с самого рождения несутся все по одной линии. Расходится такой световой поток настолько ничтожно, что его не требуется дополнительно сжимать — не нужно никаких зеркал или линз. И в тонюсеньком лучике можно сконцентрировать гигантскую мощность.

Автор: Глеб Анфилов.