Покоренная плазма

Сложная жизнь возбужденных атомов

В истории науки известны случаи, когда предсказание или открытие того или иного ученого-теоретика долго не находило своего практического применения и никак не использовалось. Оно имело, так сказать, чисто теоретический интерес. И лишь спустя десятилетия люди как бы заново осмысливали его, открывали в нем огромные возможности и с жаром принимались за детальные исследования. Так случилось с одной работой отца теории относительности Альберта Эйнштейна.

В 1916 году Эйнштейн опубликовал статью, в которой ответил на вопрос, как взаимодействуют между собой свет и вещество. Ученый к имевшимся в то время представлениям добавил, казалось, самую малость: кое-что уточнил. Но именно это привело впоследствии к возникновению нового направления в физике и в технике.

О том, как атомы «стреляют» фотонами, было в общих чертах рассказано в начале книги. Сейчас настало время поговорить об этом подробнее.

Припомним, что происходит в разрядной трубке, в которой заперта плазма.

Электроны, подхваченные электрическими силами, сталкиваются с нейтральными атомами. Они могут их ионизировать, то есть создать новые заряды. Но может произойти и возбуждение атома. При этом налетевший электрон отлетает с меньшей скоростью, а у атома часть электронов оказывается отброшенной на дальние орбиты. Физики называют такие столкновения ударами первого рода.

Но существуют и удары второго рода. Медленно летящий электрон может натолкнуться на уже возбужденный атом. Атом тут же отдаст ему излишек своей энергии, превратится в нормальный, а электрон, как «ошпаренный», отлетит с большой скоростью.

Но, кроме таких процессов, в плазме или в нагретом теле происходят другие, чисто оптические процессы. В них участвуют световые частицы — фотоны и атомы.

До упомянутой работы Эйнштейна их представляли так: возбужденный атом стремится вернуться в первоначальное, устойчивое состояние. Это он делает, испустив порцию света — фотон, причем, это происходит самопроизвольно, или, иначе, спонтанно, без какого-либо постороннего вмешательства. Да и как можно вмешаться в этот процесс, если возбужденное состояние атома длится ничтожное время — миллионные и даже миллиардные доли секунды?

Но это не все. Оказывается, возникающие фотоны могут не только излучаться атомами, но и поглощаться ими. Стоит фотону, еще не покинувшему нагретое тело, наскочить на нормальный атом, как фотон исчезнет, его «проглотит» этот атом. Куда же денется энергия фотона? Ведь она не может исчезать бесследно. Она не исчезает и здесь, просто нормальный атом становится возбужденным.

Итак, гибель фотона приводит к возбуждению атома, хотя эта гибель и кратковременна: возбужденный атом способен тут же самопроизвольно выбросить фотон.

Казалось, картина достаточно убедительна: самопроизвольное излучение атомами фотонов сопровождается противоположным процессом — поглощением их. Но Эйнштейн добавил в эту картину новые мазки. Сделал это он на языке формул и строгих физических рассуждений, и сделал так, что ученые не могли с ним не согласиться.

Крупнейший физик, имя которого уже было известно всюду, занялся, на первый взгляд, простым вопросом: что произойдет, если стремительно летящий фотон наскочит не на нормальный атом, а на уже возбужденный? Ведь и такое может иногда случиться в микромире плазмы или раскаленного тела!

Эйнштейн утверждал, что в этом случае родится новый фотон. Фотон-«налетчик» заставит возбужденный атом «выстрелить» своим фотоном. Появятся, значит, два фотона, причем, они будут лететь строго в одном направлении. В этом первое отличие такого вынужденного излучения от рассмотренного выше — самопроизвольного.

Но есть и еще отличия.

Световые частицы — это не только «пули», но и порции электромагнитных волн. Такова, как вы знаете, природа света. А если свет — волны, то волны могут взаимодействовать друг с другом.

Бросьте одновременно два камня в воду. От каждою из них побегут волны. И если внимательно присмотреться к воде, то можно заметить, что в некоторых местах встретившиеся волны погасили друг друга, а в некоторых, наоборот, усилились — в этих местах размах колебаний особенно велик.

Со световыми волнами происходит примерно то же. Если атомы испускают их беспорядочно, самопроизвольно, то некоторые из этих волн гасят друг друга, некоторые — усиливают. Такой беспорядочный свет называется некогерентным. Именно с ним мы имеем дело в повседневной жизни. Свет солнца, электрической лампочки, разрядной трубки, раскаленного железа — все это в основном некогерентный свет.

Вынужденное излучение, которое «раскопал» Эйнштейн, совсем не такое, хотя внешне оно не отличается от обыкновенного света. При нем световые волны никогда не гасят друг друга, гребни и впадины их всегда совпадают.

Иными словами, это согласованное излучение атомов — когерентно.

Что добавил Альберт Эйнштейн к имевшимся в то время физическим представлениям? Казалось, совсем немного. Но это только казалось.

Теория и практика всегда идут в ногу. Они обогащают друг друга. И каким бы блестящим ни было теоретическое умозаключение, его всегда стараются проверить на практике. Так случилось и с вынужденным излучением, предсказанным Эйнштейном.