Квантовые свойства макроскопических объектов

Квантовая электроника.

Квантовая электроника – область электроники, охватывающая изучение и разработку методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов, молекул и твердых тел. Часто под термином «Квантовая электроника» понимают совокупность квантовых электронных приборов и устройств — молекулярных генераторов и квантовых усилителей, оптических квантовых генераторов (лазеров) и др., — в которых используется вынужденное излучение. К Квантовой электронике относят также вопросы нелинейного взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом и применение такого взаимодействия в устройствах преобразования частоты лазерного излучения. Наиболее крупным прикладным разделом квантовой электроники является лазерная техника, связанная с созданием лазеров различных типов, исследованием свойств лазерного изучения и его использованием для решения различных практических задач.

Физические основы КЭ.

В отличие, например, от вакуумной электроники, использующей для преобразования электромагнитной энергии потоки свободных электронов, в КЭ имеют дело со связанными электронами, входящими в состав атомных систем: атомов, молекул, кристаллов. Согласно законам квантовой механики, электроны в атоме и, следовательно, атомная система в целом могут находиться только в определённых энергетических состояниях, характеризуемых дискретным рядом значений энергии ₀, ₁, ₂, ... , называемых энергетическими уровнями. Изменение внутренней энергии атомной системы сопровождается квантовым переходом электрона с одного энергетического уровня на другой. При этом система излучает или поглощает порцию электромагнитной энергии — квант — с частотой _mn и энергией h_mn= _m - _n , где h – постоянная Планка, _m и _n - конечный и начальный энергетические уровни. Излучение квантов (соответствующее переходам электронов с верхних энергетических уровней на нижние) может происходить как самопроизвольно — в отсутствие внешнего поля (спонтанное излучение), так и вынужденно — в присутствии поля (вынужденное излучение), поглощение же квантов (соответствующие переходам с нижних уровней на верхние) всегда является процессом вынужденным. Существенно, что в результате вынужденных излучат. переходов первичная электромагнитная волна усиливается за счёт энергии кванта вынужденного излучения, тождественных этой первичной волен по частоте, фазе, направлению распространения и характеру поляризации. Именно эта особенность вынужденного излучения имеет основополагающее значение в КЭ, позволяя использовать такое излучение для усиления и генерации электромагнитных волн. Когерентное усиление электромагнитной волны возможно только в том случае, если число возбужденных электронов (населенность более высоких энергетических уровней) превышает число невозбужденных (населённость более низких уровней). В веществе, находящемся в состоянии термодинамического равновесие, это условие не выполняется: в соответствии с Больцмана распределением населенность верхних энергетических уровней всегда меньше чем нижних и, следовательно, поглощение преобладает над вынужденным излучением, в результате чего проходящая через вещество первичная волна ослабляется. Для того чтобы вещество усиливало распространяющуюся в нём электромагнитную волну, необходимо перевести его в возбужденное состояние, в котором хотя бы для двух уровней населенность верхнего оказалась выше , чем нижнего. Такое состояние называется состоянием с инверсией населённости в веществе и является предположенный современными учёными Н.Г. Басовым и А. М. Прохоровым в 1955 «Метод трёх уровней». Сущность этого метода состоит в том, что электроны в энергетическом спектре которых имеется 3 энергетических уровня ₁, ₂, ₃, переводятся в возбужденное состояние под действием мощного вспомогательного излучения — накачки. При достаточной интенсивности накачки происходит переход электронов с уровня ₁ на ₃, до так называемого насыщения, когда населённость этих уровней становится одинаковой. При этом для одной пары уровней ₁, ₂ или ₂, ₃ будет иметь место инверсия населённостей. Существуют и другие методы создания инверсии населённости: сортировка молекул в молекулярных и атомных пучках в неоднородном электрическом или магнитном поле; инжекция неравновесных носителей заряда в электронно-дырочный переход; осуществление неупругих соударение атомов в смеси газов; химическое возбуждение и другие.

Генерация электромагнитных волн в приборах КЭ осуществляется с помощью активной среды, помещённой в резонатор, в частности для лазеров — оптических резонаторов, посредством которого реализуется необходимая для генерации положительная обратная связь. В активной среде неизбежно происходят спонтанные переходы электронов с верхних энергетических уровней на нижние, т.е. происходит излучение квантов. Если резонатор настроен на частоту этого излучения, то оно, многократно отражаясь от стенок резонатора, успевает вызвать индуцированное излучение ещё нескольких частиц, которые, в свою очередь, воздействуя на активную среду, вызывает новые акты индуцированного излучения. В результате собственное спонтанное излучение активной среды усиливается за счет вынужденных переходов. При этом, однако, энергия излучения в резонаторе не может нарастать беспредельно: каждый акт излучения сопровождается переходом частицы на более низкий энергетический уровень, что приводит к выравниванию населенностей и, следовательно, к равенству поглощения и вынужденного излучения (эффект насыщения).

Историческая справка.

КЭ сформировалась и развивалась как самостоятельная область науки и техники во вотрой половине ХХ века. История КЭ неразрывно связана с радиоспектроскопией, исследующей свойства вещества с помощью избирательного (резонансного) поглощения радиоволн СВЧ диапазона. Именно в радиоспектроскопии зародилась идея о том, что путём создания инверсии населённостей энергетических уровней в среде можно добиться усиления радиоволн. Если же какая-либо система усиливает радиоизлучение, то при соответствующей обратной связи она может и генерировать это излучение. Первый прибор КЭ — молекулярный генератор на аммиаке, созданный в 1955 одновременно в СССР (Басов и Прохоров) и США (Ч. Таунс и др.), по существу, является радиоспектроскопом, который, однако, устроен так, что молекулы аммиака не поглощают, а излучают радиоволны. В конце 50-х гг. В СССР и США малошумящие парамагнитные квантовые усилители, в которых активной средой служили парамагнитные кристаллы, находящиеся при температуре жидкого гелия (4,2 К) и возбуждаемые вспомогательным источником СВЧ излучения. В эти же годы широко исследовалась возможность создания приборов КЭ оптического диапазона длин волн. В 1960 первый такой прибор — рубиновый лазер — создан в США. Кристалл рубина возбуждается импульсной ксеноновой лампой. В последующие годы лазеры на диэлектрических кристаллах, возбуждаемые внешним источником оптической накачки, получили широкое распространение и составляют одну из важнейших разновидностей лазеров. Усиление в таких лазерах осуществляется за счет вынужденных переходах в электронных оболочках ионов-активаторов (хром в кристаллах рубина, неодим в стекле и алюминиевом гранате). В 1960 создан (США) первый газовый лазер на смеси атомов неона и гелия, возбуждаемых электрическим разрядом в газе низкого давления. Маломощные гелий-неоновые и мощные лазеры на CO₂ стали наиболее распространёнными представителями семейства газовых лазеров, охватывающих широкий спектральный диапазон — от глубокого ультра-фиолетового (0,12 мкм) до инфракрасного, смыкающегося с субмиллиметровым (1 нм). В 1959 Басов с сотрудниками теоретически обосновали возможность создания полупроводникового лазера; первые такие лазеры созданы в 1962—63 (СССР и США).

Применение КЭ.

Приборы КЭ имеют ряд характерных особенностей, отличающих их от электронных приборов других типов. Так молекулярные генераторы СВЧ диапазона обладают исключительно высокой стабильностью частоты колебаний ~10^-13 (например, часы на основе такого генератора «уйдут» на 3 секунды за 1 млн. Лет). Квантовые парамагнитные усилители СВЧ имеют рекордно низкий уровень собственных шумов (не св. 10 К) по сравнению с усилителями других типов и поэтому применяются в устройствах радиоастрономии, системах дальней космической связи. На основе лазеров возникли новые области науки и техники: нелинейная оптика, лазерная химия, лазерная технология, голография, лазерная медицина, лазерная интерферометрия и др. Мощный направленный лазерный пучок, сфокусированный на поверхности любого вещества, способен расплавить и испарить его. Это явление лежит в основе многих технологических применений лазеров. Лазерный луч служит незаменимым инструментом интерферометрических измерений с высокой точностью, примерно сравнимой с размерами атомов и молекул. Способность активной среды некоторых лазеров накапливать энергию возбуждения и затем излучать её в виде короткого (^10-7—10^-9) импульса с недостижимой прежде мощностью (10⁹—10¹⁰Вт) легла в основу лазерной импульсной локации и дальнометрии. Чрезвычайно малая расходимость лазерного излучения (примерно на 4 порядка меньше, чем у СВЧ излучения при сравнимых диаметрах антенных систем) делает возможным его передачу на огромные расстояния, недостижимые для радиолокации. Инжекционные ПП лазеры, непосредственно преобразующие электрический ток в когерентное оптическое излучение, являются самыми миниатюрными приборами КЭ, на основе которых развиваются такие важные направления электроники, как оптоэлектроника, системы записи и считывания информации. Лазеры активно вторглись в технологию современной микроэлектроники (процессы подгонки резисторов, контроля микросхем, скрайбирования и отжига кремниевых пластин, фотолитографии и т. д.). Лазеры получили применение и в военном деле. Производство приборов КЭ в промышленно развитых странах сформировалось в крупную отрасль промышленности.

Электрическое строение молекул.

Химики называют молекулой мельчайшего представителя вещества. Физики большей частью пользуются этим словом лишь в том случае, если этот мельчайший представитель реально существует как отдельное маленькое тело.

Существует ли молекула поваренной соли? Поваренная соль (NaCl) — это хлористый натрий. Молекула состоит из одного атома натрия и одного атома хлора. Однако этот ответ лишь формально справедлив. На самом же деле ни в кристалике поваренной соли, ни в растворе соли в воде, на в парах хлористого натрия мы не обнаруживаем пары атомов, которая вела бы себя как одно целое. В кристалле каждый атом натрия окружен шестью хлорными соседями. Все эти соседи равноправны, и никак нельзя сказать, какой из них «принадлежит» данному атому натрия.

Растворим поваренную соль в воде. Окажется, что раствор — превосходный проводник тока. Строгими опытами можно доказать, что электрический ток пре5дставляет собой поток отрицательно заряженных атомов хлора, движущихся в одну сторону, и поток положительно заряженных атомов натрия, движущихся в противоположную. Так что при растворении атомы натрия и хлора также не образуют крепко связанную пару атомов.

После того как модель атома установлена, становиться ясным, что анион хлора представляет собой атом хлора с «лишним» электроном — напротив, катиону натрия не достаёт одного электрона.

Отсюда можно сделать вывод, что и твердое тело состоит из ионов, а не из атомов. Это доказывается многими опытами, на описании которых мы не будем останавливаться.

Ну, а пары хлористого натрия? И в парах мы не находим молекул. Пар хлористого натрия состоит из ионов или из различных очень неустойчивых групп ионов. О молекулах ионных соединений можно говорить лишь в химическом смысле этого слова.

Ионные соединения обязательно растворяются в воде. Такие растворы, классическими представителями которых являются простые соли металлов вроде хлористого натрия, Обладают хорошей проводимостью и поэтому называются сильными электролитами.

Класс молекулярных кристаллов весьма обширен. В кристалле углекислого газа (CO₂), атом углерода имеет очень близких углеродных соседей. И во всех остальных случаях, изучая структуру молекулярного кристалла, мы сразу же видим, сто имеется возможность разбить кристалл на тесно расположенные группы атомов.

Раз они тесно расположены, значит и связанны большими силами. Так оно и есть. Грубо говоря, силы, связывающие эти атомы, принадлежащие одной молекуле, в сто раз больше сил, действующих между атомами соседних молекул.

В чем же состоит внутримолекулярная связь? Достаточно ясно, что представлениями о притяжении электрически заряженных отрицательных и положительных ионов обойтись не удастся. Ведь существуют молекулы кислорода, азота, водорода, построенные из одинаковых атомов. Невозможно предположить, что один теряет, а другой приобретает электрон. С какой стати электрон должен предпочесть пребывание около одного из двух одинаковых атомов.

Объяснение сущности внутримолекулярной связи пришло лишь вместе с квантовой механикой. Итак, энергия любой системы квантуется, на одном уровне энергии могут находиться два электрона с противоположно направленными «спинами. Из основных гипотез квантовой механики вытекает одно интересное следствие. Оказывается (это же не гипотеза, а строгий математический вывод, который мы не приводим из-за его сложности), что самое низкое значение энергии, которое может принять электрон, определяется размерами области, внутри которой он движется. Чем больше эти размеры, тем энергия этого «нулевого уровня» ниже.

Теперь представим себе, что два атома водорода приближаются друг к другу. Если они объединяются в одну систему, то «квартира» для каждого электрона станет примерно в два раза больше. В одной и той же квартире могут мирно ужиться два электрона с противоположно направленными спинами. Следовательно, такое сожительство выгодно. Область существования для обоих электронов возросла. Значит суммарная энергия системы после объединения двух атомов в одно целое понизилась. Ну, а то, что любая система — если есть на то возможность — стремится перейти в состояние с наинизшей энергией, нам превосходно известно. По этой самой причине предоставленный сам себе шар скатывается с горки.

Итак, образование химической связи означает обобществление электронов. Имеется некоторое количество электронов (их называют внутренними), которые вращаются около ядер атомов, но некоторые электроны (их называют внешними) охватывают в своем движении по крайней мере пару ближайших атомов, а то и путешествуют по всем атомам молекулы.

Вещество, построенное из молекул, можно узнать по его электрическим свойствам. Раствор такого вещества тока не проводит. Молекулы не распадаются на части, а целая молекула электрически нейтральна. В жидкостях и парах молекулы сохраняют свою структуру — вся группа атомов движется как одно целое, перемещается поступательно, вращается. Атомы, принадлежащие одной молекуле, могут лишь колебаться около своих положений равновесия.

Нейтральная молекула не несет на себе электрического заряда, но нельзя торопиться с выводом о том, что такая молекула не создает электрического поля. Если молекула несимметрична, то центры тяжести её положительного и отрицательного зарядов наверняка совпадать не будут. Интуитивно ясно, что совпадение центров тяжести зарядов обоих знаков будет иметь место в таких молекулах как кислород или азот, состоящих из двух одинаковых атомов. Также нетрудно проверить, что в такой молекуле, как например, молекула угарного газа СО, эти центры могут быть сдвинуты друг относительно друга. Если такое смещение есть, то про молекулу говорят: она обладает дипольным моментом.

Термин имеет следующее происхождение: «дипольная» молекула ведет себя как система двух точечных зарядов (одна точка — центр тяжести отрицательных, а другая — центр тяжести положительных зарядов). Диполь характеризуется величиной заряда и «плечом» диполя, т.е. расстоянием между центрами.

Несимметричная молекула обладает электрическим дипольным моментом, а наличие постоянного (или, как говорят, жесткого) дипольного момента без труда доказывается на опыте.