Корень квадратный из частоты является линейной функцией атомного номера Z

Закон Мозли позволяет по измеренной длине волны характеристических максимумов установить атомный номер данного элемента.

До сих пор мы рассматривали только два вида переходов в атоме:

1. Спонтанные (самопроизвольные) переходы с более высоких энергетических уровней на более низкие с испусканием фотона, энергия которого определялась разностью энергий уровней, между которыми совершался переход.

2. Вынужденные переходы с более низких энергетических уровней на более высокие, при этом фотоны поглощались.

В 1916 году Эйнштейн теоретически показал, что этих двух видов переходов недостаточно, чтобы обеспечить состояние равновесия между излучением и веществом.

Вероятность спонтанных переходов определяется лишь внутренними свойствами атомов и не зависит от интенсивности падающего излучения.

Вероятность же поглощательных переходов зависит от свойств атома и от интенсивности падающего излучения.

Эйнштейн полагал, что для обеспечения равновесия между излучением и веществом должны существовать вынужденные переходы с высоких энергетических уровней на низкие уровни с испусканием фотона.

Возникающее в результате таких переходов излучение называют вынужденным или индуцированным. Направление вынужденного излучения совпадает с направлением вынуждающего (падающего) излучения. Частота, фаза и поляризация вынужденного излучения также совпадают с аналогичными характеристиками падающего света. То есть вынужденное и вынуждающее излучения оказываются когерентными.

Согласно принципу детального равновесия, в равновесной термодинамической системе каждый микроскопический процесс сопровождается обратным ему процессом из этого следует, что вероятность обоих процессов (поглощение и индуцированное излучение должна быть одинакова.

Итак, по Эйнштейну падающее на вещество электромагнитное излучение может вызвать два вынужденных процесса:

- вынужденный переход электрона в атоме из m в n (), который приводит к поглощению фотона и ослаблению интенсивности падающего излучения;

- вынужденный переход из , сопровождающейся индуцированным излучением и увеличивающий интенсивность падающего света.

Результирующее изменение интенсивности зависит от того, какой процесс преобладает.

В случае термодинамического равновесия распределение атомов по энергетическим состояниям подчиняется распределению Больцмана:

,

Где число атомов в i – том состоянии; G – константа, зависящая от общего числа атомов; энергия i – го состояния.

Из этого следует, что с увеличением значения энергии заселенность данного уровня уменьшается. Число переходов между уровнями пропорционально заселенности исходного уровня, следовательно, в равновесной среде поглощение всегда будет преобладать над вынужденным излучением.

Чтобы создать обратную ситуацию необходимо увеличить заселенность уровней с большей энергией, такая заселенность называется инверсной.

Кроме того, эти энергетические состояния должны быть метастабильными, т.е. электроны в них должны находиться значительно дольше, чем обычно; и переход из этих состояний в состояния с меньшей энергией должен быть вынужденным, а не спонтанным.

Существует несколько способов возбуждения атомов для создания в среде инверсной заселенности (накачки).

Например, в рубиновом лазере, который представляет собой рубиновый стержень (окись алюминия), в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома, накачка осуществляется сильными вспышками света с 560 нм, что соответствует энергии 2,2 эВ.

Рис.30

При возбуждении атомы хрома переходят из основного состояния с в состояние с. Затем через с они либо возвращаются в состояние с, либо переходят на метастабильный уровень , где их время жизни равно с.

При мощной накачке в оказывается больше атомов, чем в .

Самопроизвольный переход хотя бы одного атома из в вызывает лавинный переход остальных атомов – начинается лазерная генерация.

Лазерное излучение отличается рядом замечательных особенностей:

- строгая монохроматичность; разброс по длине волны составляет величину порядка нм;

- высокая временная и пространственная когерентность

- большая интенсивность;

- узость пучка.

В 50-х годах прошлого века появились первые устройства, которые усиливали, проходившие через них электромагнитные волны, за счет вынужденного излучения. В 1953 году советскими учеными Басовым и Прохоровым и независимо от них американским физиком Таунсом были созданы первые молекулярные генераторы, работающие в сантиметровом диапазоне электромагнитных волн и получившие название мазеры, за что в 1963 году всем трем ученым была присуждена Нобелевская премия.

В 1960 году американец Мейман сделал генератор вынужденного излучения на рубиновом стержне, работающий в оптическом диапазоне (оптический квантовый генератор) названный лазером. Чуть позже появился гелий-неоновый лазер. А в 1963 году были разработаны первые оптические квантовые генераторы на полупроводниках.