|
НИКОЛАЙ ГЕННАДИЕВИЧ БАСОВ, дважды Герой Социалистического Труда, академик, член Президиума Верховного Совета СССР, член Президиума АН СССР, директор Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР. Председатель Правления Всесоюзного общества «Знание».
Родился в 1922 г. в Воронеже, окончил Московский инженерно-физический институт.
Один из создателей мазеров и разного типа лазеров, работает над их применением в различных областях науки и техники. Лауреат Ленинской и Нобелевской премий, иностранный член академии наук ряда стран.
ЮРИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ АФАНАСЬЕВ, доктор физико-математических наук, заведующий сектором Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР.
Родился в 1939 г. в Москве, окончил Московский физико-технический институт в 1963 г. Занимается разработкой теории взаимодействия излучения лазера с веществом и теории лазерного термоядерного синтеза.
Содержание
Укрощение света 3
«Ошибка» Исаака Ньютона 6
Порядок в световом хаосе 18
Как излучает атом 38
Оптический резонанс 50
Большое семейство лазеров 63
Термоядерный синтез и термоядерная плазма 79
«Кальмар», «Дельфин», «Шива», «Гелиос»... 106
Шкала физических явлений 123
Укрощение света
Одной из наиболее сложных, многообразных и в то же время «привычных» и легко ощутимых форм материи является свет, или — в широком смысле — электромагнитное излучение. На протяжении веков человек постепенно проникал в тайны видимых и невидимых лучей, учился управлять световыми процессами, создавал разнообразные источники света. Теоретическая и экспериментальная наука о свете ширилась, позволяя людям «видеть» все отчетливее окружающий мир с помощью многочисленных инструментов, начиная с простой линзы и кончая сложнейшими оптическими и электронно-оптическими приборами. Все более ясной и гармоничной представлялась структура самого электромагнитного излучения, заключенная в рамки строгих математических законов и проверенная в сложнейших экспериментах.
Однако «укрощение» света не было в полной мере завершено наукой вплоть до начала 60-х гг. нашего века, когда были созданы принципиально новые источники света, излучение которых характеризовалось максимальной упорядоченностью (когерентностью), присущей вообще электромагнитным волнам. Они получили название оптических квантовых генераторов, или лазеров. Лазеры, по существу, дали возможность управлять внутренней «элементарной» структурой излучения, определяющей такие «практические» характеристики источника, как яркость, направленность, монохроматичность и др.
Уникальная черта лазера — его способность генерировать тончайший луч огромной мощности, который может прожигать твердые, в том числе металлические, поверхности. В данном случае луч — это практически одно-единственное направление, в котором распространяется вся световая энергия лазера. Если луч лазера распространяется в воздухе, то его можно видеть, т. е. он теперь уже не только геометрическое понятие, но и тончайшая световая нить.
С изобретением лазеров ученые, инженеры, врачи получили в свои руки искуснейший и в то же время могучий инструмент, соединяющий в себе ни с чем не сравнимые точность и мощность, способность производить удивительные превращения при взаимодействии с веществом и одновременно управлять отдельными атомами и молекулами, проникать и целебно воздействовать на биологические структуры, разрушать преграды и создавать оптические «фантомы»1, накапливать и переносить информацию. Но, по-видимому, самое большое достоинство оптических квантовых генераторов — возможность использования их для решения энергетической проблемы.
Взор ученых с надеждой обращается к Солнцу. Разумеется, нельзя заставить его светиться ярче. Но уже сейчас на Земле в лабораторных условиях можно с помощью лазерного излучения воспроизводить процессы, происходящие в недрах Солнца. Мы имеем в виду/процесс термоядерного синтеза, который является источником солнечной энергии.) Управляемая человеком термоядерная реакция — неисчерпаемый источник энергии для многих и многих поколений, которые будут жить после нас,
В своей книге мы расскажем вам о физике и технике лазеров и современных лазерных систем, .об их основных применениях и главным образом о проблеме управляемого термоядерного синтеза (лазерный термоядерный синтез — JITC). Физические принципы
1 Речь идет о получении объемных изображений (голографии), которые в буквальном смысле можно рассматривать со всех сторон.
лазеров — оптических квантовых генераторов содержатся в ряде кардинальных представлений физической оптики, установленных еще в конце XIX и начале XX в. такими выдающимися физиками, как А. Эйнштейн, Н. Бор, М. Планк, Г. Кирхгоф, В. Вин, Дж. Стефан, JL Больцман и другие. По этой причине мы начнем с фундаментальных, необходимых для понимания сущности лазеров представлений о свете.
«Ошибка» Исаака Ньютона
Всякая физическая наука оперирует не подлинной реальностью, а некоторой ее идеализацией, так называемой физической моделью, включающей, по возможности, основные черты рассматриваемого явления. И чем глубже мы проникаем в суть процесса, тем сложнее, как правило, становится модель. И дело не в громоздкости и трудности математического описания, а в том, что появились совершенно новые понятия и представления. Рассмотрим эволюцию наших представлений о природе света, т. е. о природе электромагнитного поля излучения. Великий Исаак Ньютон в начале XVIII в., учась управлять световыми лучами и проводя много времени за полировкой линз, считал свет частицами, или корпускулами, двигающимися по прямым линиям. «Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися веществами?» Такое представление подтверждалось законом прямолинейного распространения света и не противоречило закону преломления. При этом в разных веществах «частицы» света двигались с различными скоростями, а отношение скорости света в вакууме — с к скорости в данном веществе — у, т. е. коэффициент преломления п = —у определяло угол излома луча при переходе границы вакуум — вещество.
Однако X. Гюйгенс, а позднее О. Френель и Т. Юнг с очевидностью показали, что электромагнитное поле излучения имеет волновую природу. С волновой точки зрения, легко объясняется огибание светом непрозрачных преград достаточно малого размера. Таким образом, было признано, что электромагнитное излучение — совокупность волн, способных при взаимодействии ослаблять и усиливать друг друга. В результате возникли фундаментальные понятия интерференции и дифракции, с помощью которых легко объяснялись как законы прямолинейного распространения и преломления света, так и эффект огибания преград.
Плоская волна — простейший «образ» световых колебаний. Простейшие характеристики любого волнового процесса (...)
Таким образом, плоская волна обладает двойной периодичностью — по времени с периодом t=T и в пространстве с периодом х = Л. Периодичность — одно из главных свойств света. Следует сказать, что И. Ньютон, сторонник теории световых частиц, тем не менее ясно сознавал свойство периодичности световых явлений, проводя опыты с интерференционными кольцами (кольца Ньютона). В то же время современник Ньютона Гюйгенс, заложивший принцип, носящий его имя, хотя и писал о световых волнах, не вводил понятия длины волны.
Объединяя мысленно временную и пространственную картины, можно прийти к выводу, что плоская волна — это перемещающаяся вдоль оси х «жесткая синусоида» с расстоянием между двумя соседними максимумами (или минимумами) к. Скорость «синусоиды», очевидно, равна (...)
период колебания волна проходит расстояние, равное длине волны. Скорость распространения и длина волны изменяются при переходе колебаний из одной среды в другую, в то время как частота v остается неизменной и определяется только свойствами излучателя. Почему такую волну называют плоской? Если представить ее в трехмерном пространстве (х, у, z), то в плоскости х = const, перпендикулярной оси х, значения амплитуды в каждый данный момент времени одинаковы, т. е. не зависят от координат {у, г). При перемещении такой плоскости вдоль оси х со скоростью волны значения А (х, t) во всех точках плоскости не будут меняться со временем. Такая плоскость в данном случае называется волновым фронтом. Волновой фронт — геометрическая характеристика волны и в реальных случаях может сильно отличаться от плоского. Так, например, в случае точечного источника колебаний хорошим приближением является сферическая волна (со сферическим волновым фронтом). Однако представление о плоской волне, которая в чистом виде никогда не реализуется, оказывается весьма полезным. Дело не только в том, что она в значительной степени описывает структуру волнового процесса, но также и в том, что любая реальная волна с произвольным волновым фронтом может быть представлена в виде наложения ряда плоских волн, отличающихся направлением распространения.
Применительно к модели плоской световой волны, описываемой соотношением (...) , остается еще один вопрос: что такое А? Ответ
мы найдем в гениальных работах Дж. Максвелла. Оказалось, что все виды излучения, начиная с радиоволн и «тепловых» невидимых лучей, идущих от любого нагретого тела, и кончая всепроникающими рентгеновскими и у-лучами, имеют одинаковую природу. Под величиной А следует понимать величины электрического поля Е и присутствующего вместе с ним магнитного поля В. Плоская электромагнитная волна в вакууме описывается двумя соотношениями: (...)
При этом векторы напряженностей полей Ж и Ж колеблются синхронно и перпендикулярны как к направлению распространения (ось Jt), так и друг к другу.
Однако во времена Максвелла еще считалось, что распространение электромагнитного поля (Ж, В ) происходит в особой среде — эфире, а напряженности электрического и магнитного поля есть некоторые изменения состояния этой среды. Окончательно с понятием эфира как неподвижной, безграничной среды физика рассталась только после опыта А. Майкельсона, показавшего невозможность
существования абсолютной системы координат (эфира), относительно которой можно было бы рассматривать движение Земли.
Сейчас мы знаем, что электромагнитное поле есть особая форма материи, способная при некоторых процессах превращаться в вещество.
От радиоволн до у-квантов. Все существующие виды излучения отличаются частотой v или длиной (...)
Область видимых лучей — «истинный» свет — лежит по длинам волн внутри одного порядка (...) (ангстрем). И этот узкий физический диапазон представляет нам все световое разнообразие и всю сияющую красоту мира — синеву моря и неба, зелень vполей и лесов, яркость цветов. Речь идет, конечно, только о восприятии наших глаз. Однако к настоящему времени человек может «видеть» в гораздо более широкой области электромагнитной шкалы. Мы можем видеть в абсолютной темноте (с точки зрения видимого глазом диапазона) при помощи инфракрасных преобразователей и получать рентгеновские «фотографии» различных «невидимых» объектов.
Снова корпускулы. В конце XIX в. в опытах Г. Герца, А. Столетова и В. Гальванса было обнаружено явление эмиссии электронов из металла под действием коротковолнового излучения, например ультрафиолета. Это явление, называемое фотоэффектом, было объяснено А. Эйнштейном на основе допущения о прерывном характере электромагнитного поля. Это означает, что свет испускается, распространяется и поглощается веществом в виде «частиц» — квантов или фотонов, обладающих конечными энергетическими порциями.
Несколько ранее М. Планк вынужден был «проквантовать» энергию излучающих и поглощающих атомов, чтобы объяснить законы равновесного излучения. Правда, гипотеза Планка ограничивалась предположением, что свет лишь поглощается и излучается в виде энергетических порций — квантов. Так через полтора века физика излучения снова вернулась к корпускулярным представлениям. Более того, фотоны — световые частицы — характеризуются чисто механическими параметрами: энергией (...) постоянная Планка) и количеством движения Р = сравните с параметрами обычной частицы — (...)
Однако фотоны, согласно современным представлениям, являются безмассовыми частицами, т. е. не обладают массой. С другой стороны, тело, излучающее световую энергию, теряет массу. «Свет уносит массу. Это соображение — веселое и подкупающее»,— говорил А. Эйнштейн. Но свет уносит и энергию. Значит, масса сама по себе содержит энергию, а энергия может превращаться в массу? Например, процесс аннигиляции электрона (е~) и позитрона (е+) приводит к исчезновению массы и появлению излучения (v-квантов). Возможен и обратный процесс, когда свет рождает пары частиц — е- и е+. Более того, энергия светового поля может быть наряду с массой источником гравитационного поля.
Формально световые частицы отличаются от обычных классических частиц тем, что обладают только одним «свободным» параметром — частотой v, двигаясь всегда с постоянной скоростью — с. Однако для фотонов справедливы «механические» законы сохранения энергии и импульса, описывающие процессы взаимодействия света с микросистемами (атомами, молекулами, электронами): hv -f- Е = Л v1 -f--f- Ех — закон сохранения энергии, Е, Е1 — энергия микросистемы до и после взаимодействия. Чтобы записать закон сохранения импульса, удобно ввести понятие волнового вектора фотона К , направление которого совпадает с направлением распространения фотона, а величина (...)
Приведенные уравнения поражают своей простотой, хотя описывают явления с такими сложными
объектами, как фотоны. Так, например, с помощью уравнения энергии легко объясняется явление фотоэффекта, если предположить, что электрон в металле может поглотить только один фотон. Действительно, в данном случае hvl= 0 (падающий фотон исчез), и указанное уравнение можно записать в виде h\=E — Е. Для того чтобы электрон вылетел с конечной скоростью из металла, сообщенная ему фотоном энергия должна превышать необходимую для вырывания электрона работу (работа выхода А — металл «держит» электрон кулоновскими силами) (...) «красная» граница фотоэффекта).
Кроме того, из уравнений следует, что свободный (изолированный, не связанный с ядром) электрон не может поглотить фотон, а может только рассеять его. Действительно при взаимодействии рентгеновского кванта с электроном получается квант с уменьшенной частотой v1, а разница энергий (Av — Av) переходит в кинетическую энергию электрона. Это явление было открыто Комптоном (эффект Комптона). Рассеяние света с большой длиной волны молекулами легко может быть объяснено волновой теорией. Падающая на молекулу световая волна своим переменным электрическим полем раскачивает. молекулярные электроны, которые сами становятся источником вторичных волн. В результате часть энергии падающей волны рассеивается в разные стороны. Эффектом рассеяния света в воздухе объясняется синии цвет неьа, так как явление такого типа (рэлеевское рассеяние) тем эффектнее, чем меньше длина волны — интенсивность рассеянного све-
Волны-частицы и частицы-волны. Естественно, существуют оптические явления, которые хорошо объясняются как с помощью волновой теории, так и в рамках представления о квантах. К числу таких эффектов относится существование давления света, открытое П. Н. Лебедевым в начале нашего столетия. Давление света на вещество при поглощении или отражении квантов связано с существованием у фотонов импульса количества движения. Это аналогично давлению газа, возникающего за счет ударов молекул о стенки сосуда. Кроме того, уже в теории электромагнитных волн Максвелла было показано, что волна переносит как энергию, так и количество движения.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
