Атоми – світильники світу

Атоми – ось головні світильники світу. Кожен атом – ліхтарик. Він раз у раз спалахує миттєвим спалахом, посилає в простір крихітний шматочок світлових хвиль, квант електромагнітної енергії, те, що фізики називають фотоном. Незліченні міріади фотонів, що наповнюють та пронизують наш світ, – це і є світло. А з якої причини атом дає такі спалахи! Що змушує його світити?

Вчені кажуть: атом світить тому, що іноді буває збуджений. Збуджений атом схильний до дії, до виділення надлишку внутрішньої енергії, яка його як би «розпирає». І звільнитися від цього надлишку він може, випромінюючи фотон. Отримав атом звідкись зайву енергію, став збудженим, а потім викинув цю енергію геть, віддав квант світла і повернувся в нормальний не збуджений стан – ось вам, в грубих рисах, фізичний зміст сяйва зірки, блискання блискавки, горіння свічки. У різних умовах збуджуються атоми по-різному.

Найпростіше змусити їх світитися, впливаючи теплом. Ви чиркнули сірником. Температура в його голівці піднялася до тисячі градусів, виділився газ, в якому атоми з шаленими швидкостями носяться, стикаються один з одним. Вдаряючись, вони збуджуються, тут же звільняються від отриманої в зіткненнях енергії, випромінюючи фотони. І ви бачите полум’я, що світиться.

Трохи фізичної оптики

Атом – невичерпно складний природний механізм. Все в ньому особливе, своєрідне, не схоже на те, що ми зустрічаємо у нашому світі великих тіл. Процеси, що протікають в атомі, підкоряються важкодосяжним квантовим закономірностям, зрозуміти які вченим вдалося лише порівняно недавно – за кілька останніх десятиліть. Серед дивних «рис характеру» атома є й така: він «не вміє» поглинати які завгодно кількості енергії. Атом здатний увібрати в себе лише строго певні її порції – їх-то і називають квантами. «Меню» атомів, набір «засвоюваних» порцій енергії в атомів різних хімічних елементів неоднаковий. Причому, випромінюють атоми точно такі ж порції енергії, як і поглинають. Тому світяться різні атоми по-різному, спектри їх випромінювання різні. Одні дають, скажімо, більше червоних променів, інші – зелених, треті – блакитних. Недарма по спектру можна визначити хімічний склад речовини: атоми ставлять на ньому власний, тільки їм притаманний «автограф».

З цією своєрідною особливістю пов’язані тисячі явищ, спостережуваних нами щогодини і щохвилини. Зокрема, саме тому видимі нами речі різнокольорові. Ви висвітлюєте кольорову картинку білим світлом (суміш променів всіх кольорів веселки), атоми картинки вибирають з цього збіговиська променів ті, які ними можуть бути поглинені, вбирають їх у себе, а всі інші відкидають геть – відбивають. Так як на картині – атоми різних хімічних елементів, то одні з них «ковтають» червоні промені, інші – зелені і т. д. А відбиті промені і створюють в наших очах кольорове зображення.

Отже, освітлювані атоми поглинають або відбивають світло. Поглинувши світловий квант, атом збуджується. І надлишок отриманої при цьому енергії він може випустити у вигляді світла ж (або негайно, або через якийсь час). Це теж дуже поширене явище. Сяючі циферблати годинника, лампи денного світла – безліч винаходів засновані на ньому. Причому, світять атоми променями, що складаються знову-таки з фотонів «визнаних» ними енергій, з тих «світлових страв», що входять в постійний «раціон» атомів.

І, нарешті, ще одне питання. Що відбудеться, якщо висвітлити такими фотонами атоми вже порушені, заздалегідь забезпечені надлишком енергії, але які ще не викинули її! Тоді може статися так зване від’ємне поглинання. Явище дуже цікаве, воно опинилося нині надзвичайно важливим для науки і практики.

Фотони дають потомство

Нехай атом збуджений (яким завгодно способом, хоча б ударом). І ось на нього летить фотон з енергією, в точності рівній енергії збудження атома. «Проковтнути» цей фотон наш атом не зможе. Він вже «ситий». Але зате під впливом налітаючого фотона атом поспішить викинути енергію свого збудження у вигляді другого, точно такого ж фотона і повернеться в нормальний, не збуджений стан. Це і є нині славетне явище негативного поглинання. Чим же воно чудово!

Головне: був один фотон, а стало два. І абсолютно однакових. Мало того, що обидва володіють тією ж самою енергією. Дуже важливо й інше: обидва летять в одному напрямку. Другий, випромінений атомом фотон помчав, виявляється, в ту ж сторону, що і перший, атом. Нарешті, електромагнітні коливання і першого і другого кванта світла практично збігаються, слідують точно в такт один одному. Ніякими засобами не можна відрізнити, який з фотонів викликав вимушене випромінювання, а який – викликаний. Це сувора рівність, тотожність фотона – «батька» і фотона – «сина», що випливають з глибинних квантових закономірностей атомних явищ, ведуть до далекосяжних наслідків.

Адже кожен з однакових фотонів може в свою чергу зустрітися з порушеним атомом. Тоді замість двох фотонів стане чотири, потім замість чотирьох – вісім, замість восьми – шістнадцять і т. д. У середовищі, що складається із збуджених атомів, один-єдиний невловимо малесенький фотон здатний породити лавину світла, миттю тисячократно розмножитися, дати величезний потік світлових частинок – абсолютно однакових і летячих в одному напрямку. Іншими словами, крихітний світловий сигнальчик обіцяє перетворитися на могутній спалах, в потужний і надзвичайно своєрідний за властивостями промінь. Це буде промінь воістину небувалий, зовсім не схожий на звичайні промені світла.

Взяти хоч те, що в звичайному промені енергії фотонів в силу безлічі причин різняться один від одного. В які б хитрощі ви не пускалися, отримати строго одноколірний промінь від лампи вам не вдасться. Частота різних фотонів, їх колір, завжди будуть розмиті. Ніби хор співає фальшивими голосами. А в нашому промені-лавині атоми «співають» свою світлову «пісню» без будь-якої «фальші», ідеально правильно, на одному світловому «тоні», буквально в одній точці спектра. Фізики дуже цінують настільки чисте світло і називають його монохроматичним.

У звичайному промені – що йде від свічки, від дуги прожектора, від нитки електричної лампочки – фотони народжені атомами, які випромінюють їх безладно. Там світлові кванти мчать випадковим натовпом. У нашому промені-лавині атоми спалахують майже одночасно (краще сказати, в одній фазі по відношенню до хвильовому фронту) – наче за помахом диригентської палички. Світлові коливання слідують рівними шеренгами, злагоджено, чітко. Такий промінь теж дуже цінують фізики і називають його когерентним.

Нарешті, звичайний світловий потік – це сніп, віяло променів, що розходяться. Бажаючи зробити його вузьким, далекобійним, ставлять великі увігнуті дзеркала (у тих же прожекторах). Але це не так вже добре рятує промінь від «розрідження». Інша річ наш промінь-лавина. У ньому фотони з самого народження несуться все по одній лінії. Розходиться такий світловий потік настільки мізерно, що його не потрібно додатково стискати – не потрібно ніяких дзеркал або лінз. І в тонесенькому промінці можна сконцентрувати гігантську потужність.

Автор: Гліб Анфілов.