E-Book Overview
Объясняются физический смысл квантового эффекта сверхизлучения (СИ) и его новая трактовка как диссипативной неустойчивости в системах с отрицательной энергией электромагнитных колебаний. Новый подход к явлению СИ открыл возможность поиска аналогов СИ в классических системах, и прежде всего в классической электронике, где недавно эффект циклотронного СИ обнаружен экспериментально
E-Book Content
WHAT SUPERRADIANCE IS V. V. ZHELEZNYAKOV © ÜÂÎÂÁÌflÍÓ‚ Ç.Ç., 1997 Physical sense of the quantum effect of superradiance is explained. A novel treatment of superradiance as a dissipative instability in a system with negative energy of electromagnetic oscillations is given. Such an approach has yielded an opportunity to find an analogue to the superradiance in a classical system, first and foremost – in the field of classical electronics where the effect of cyclotron superradiance has recently been discovered. 52 é·˙flÒÌfl˛ÚÒfl ÙËÁ˘ÂÒÍËÈ ÒÏ˚ÒÎ Í‚‡ÌÚÓ‚Ó„Ó ˝ÙÙÂÍÚ‡ Ò‚Â ıËÁÎÛ˜ÂÌËfl (ëà) Ë Â„Ó ÌÓ‚‡fl Ú ‡ÍÚӂ͇ Í‡Í ‰ËÒÒËÔ‡ÚË‚ÌÓÈ ÌÂÛÒÚÓȘ˂ÓÒÚË ‚ ÒËÒÚÂχı Ò ÓÚ Ëˆ‡ÚÂθÌÓÈ ˝Ì „ËÂÈ ˝ÎÂÍÚ Óχ„ÌËÚÌ˚ı ÍÓη‡ÌËÈ. çÓ‚˚È ÔÓ‰ıÓ‰ Í fl‚ÎÂÌ˲ ëà ÓÚÍ ˚Î ‚ÓÁÏÓÊÌÓÒÚ¸ ÔÓËÒ͇ ‡Ì‡ÎÓ„Ó‚ ëà ‚ Í·ÒÒ˘ÂÒÍËı ÒËÒÚÂχı, Ë Ô Âʉ ‚ÒÂ„Ó ‚ Í·ÒÒ˘ÂÒÍÓÈ ˝ÎÂÍÚ ÓÌËÍÂ, „‰Â ̉‡‚ÌÓ ˝ÙÙÂÍÚ ˆËÍÎÓÚ ÓÌÌÓ„Ó ëà ӷ̇ ÛÊÂÌ ˝ÍÒÔ ËÏÂÌڇθÌÓ. ЧТО ТАКОЕ СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ Ç. Ç. ÜÖãÖáçüäéÇ çËÊÂ„Ó Ó‰ÒÍËÈ „ÓÒÛ‰‡ ÒÚ‚ÂÌÌ˚È ÛÌË‚Â ÒËÚÂÚ ËÏ. ç.à. ãÓ·‡˜Â‚ÒÍÓ„Ó ëÇÖêïàáãìóÖçàÖ. èÖêÇõÖ ùäëèÖêàåÖçíõ В середине XX века поиск мощных источников оптического и микроволнового излучения увенчался блистательным успехом – были изобретены лазеры и мазеры. Эти приборы были предложены А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым и Ч. Таунсом, за что им была присуждена Нобелевская премия 1964 года. Действие этих приборов основано на глубоких принципах квантовой физики, и прежде всего на мазерном эффекте, смысл которого заключается в следующем. Представим себе объем, содержащий молекулы, которые обладают системой дискретных энергетических уровней, на которых располагаются электроны. Те электроны, которые “населяют” некоторый уровень 1 с энергией E1 , могут самопроизвольно (как говорят, спонтанно) перейти на более низкий уровень 2 с энергией E2 , излучив при этом фотон с частотой перехода E1 – E2 -, ω 0 = ---------------- " где " – постоянная Планка. Если на молекулу падает излучение, то она может поглотить фотон с той же частотой ω0 . При этом электрон с нижнего уровня 2 перейдет на верхний уровень 1, забрав энергию поглощенного фотона. Число поглощенных фотонов растет пропорционально числу электронов на нижнем уровне 2 (населенности этого уровня). Наряду с процессом поглощения существует указанное еще А. Эйнштейном своеобразное явление индуцированного излучения, когда окружающее молекулу излучение не поглощается, а вызывает в дополнение к спонтанным еще и вынужденные переходы электронов с верхнего уровня на нижний 1 2. Появляющиеся при такого рода переходах фотоны добавляются к окружающему излучению. Вероятность индуцированных процессов пропорциональна плотности энергии этого излучения, а число излученных фотонов – произведению плотности энергии излучения на населенность верхнего состояния 1. Из изложенного ясно, что происходит с системой молекул в том случае, если имеет место “инверсия населенностей”, то есть число электронов (населенность) N1 превышает населенность N2 . В этом случае число поглощенных фотонов будет меньше, чем число испущенных за счет индуцированных переходов. В результате интенсивность излучения будет возрастать и быстро превысит тот довольно ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹4, 1997 низкий уровень, который может быть создан за счет сравнительно редких спонтанных переходов. Интенсивное излучение из системы с инверсией населенностей и составляет существо мазерного эффекта, именно такие системы молекул или твердые тела