История лазера. Научное издание
Шрифт:
В эксперименте Блоха время, необходимое для достижения этого нового равновесия, было около нескольких секунд, и это было как раз то значение релаксации воды, которое и интересовало исследователей. В течение нескольких секунд, необходимых для достижения нового равновесия, населенность спинов была в состоянии инверсной населенности, т.е. с большим числом частиц на более высоком магнитном уровне, чем число частиц на уровне с меньшей энергией.
Блох не обратил внимания на эту особенность, сосредоточившись на проблеме определения времени релаксации и измерения его точного значения.
Р’ следующем РіРѕРґСѓ Рќ. Бломберген, молодой голландский физик, Рѕ котором РјС‹ более РїРѕРґСЂРѕР±РЅРѕ РїРѕРіРѕРІРѕСЂРёРј позднее, вместе СЃ Парселлом Рё Паундом продолжал изучать времена релаксации. РћРЅ ввел РІ теоретическое рассмотрение уравнения, которые описывают поведение числа атомов, находящихся РЅР° разных энергетических СѓСЂРѕРІРЅСЏС…. Рти уравнения сыграли фундаментальную роль РІ описании действия мазеров Рё лазеров.
Отрицательная температура
Р’ 1951 Рі. Парселл Рё Паунд РІ короткой заметке РІ Physical Review ввели понятие отрицательной температуры Рё показали существование отрицательного поглощения. РћРЅРё рассматривали эксперимент РїРѕ ядерному поглощению Рё рассуждали следующим образом. РџСЂРё напряженностях поля, позволяющих системе быть описанной через ее полный магнитный момент (намагничивание), существенно быстрое обращение (перемена знака, инверсия) магнитного поля должно привести Рє намагничиванию, которое противоположно РЅРѕРІРѕРјСѓ направлению поля. Рто обращение должно осуществляться Р·Р° такое короткое время, чтобы намагничивание РЅРµ могло мгновенно следовать Р·Р° полем. РћРЅРё выполнили эксперимент СЃ образцом флюорида лития, помещаемого РІ магнитное поле, направление которого, после достижения теплового равновесия, быстро обращалось. Рто время инверсии делалось короче, чем СЃРїРёРЅ-решеточная релаксация, Рё, таким образом, конфигурация ядерных СЃРїРёРЅРѕРІ имела достаточно времени, чтобы измениться РІ течение инверсии поля. Р’ пределах короткого интервала времени, РІ течение которого СЃРїРёРЅС‹ остаются инвертированными, получается отрицательное поглощение, С‚.Рµ. испускание.
Ртот эффект показан РЅР° СЂРёСЃ. 40, причем частота периодически варьировалась взад Рё вперед через значение резонансной частоты. РџРёРє, крайне слева, представляет нормальную резонансную РєСЂРёРІСѓСЋ, перед тем как поле инвертируется. Как раз справа РѕС‚ этого положения поле было инвертировано, Рё следующий РїРёРє направлен РІРЅРёР·, что соответствует отрицательному поглощению. Рти отрицательные РїРёРєРё становятся слабее, вплоть РґРѕ состояния, РіРґРµ исчезают Рё положительное Рё отрицательное поглощения (ноль РїРёРєР°). Р’ этом состоянии населенности верхнего Рё нижнего уровней равны. Последующее увеличение положительных РїРёРєРѕРІ показывает РЅРѕРІРѕРµ установление термодинамического равновесия населенностей.
Рис. 40. Типичная регистрация обращения ядерной намагниченности
Если мы теперь вспомним, что
Отрицательная температура просто означает, что занятие состояний СЃ большей энергией более вероятно, чем состояния СЃ меньшей энергией. Рто получается РІ РѕРґРЅРёС… Рё тех же уравнениях. РќРѕ дело РЅРµ только РІ формулах, отрицательная температура имеет глубокий физический смысл. Через семь лет после введения этого понятия, полное объяснение его значения было дано РґРІСѓРјСЏ исследователями, Абрагамом Рё Проктором. Парселл прокомментировал РёС… работу, РіРѕРІРѕСЂСЏ: Рто как получение свидетельства Рѕ браке через семь лет после рождения ребенка.
Н. Рамси, который в нескольких работах (даже философских) обсуждал смысл отрицательной температуры, писал:
Паунд, Парселл и Рамси выполнили серию экспериментов с кристаллами LiF, которые имеют очень большое время релаксации. Они обнаружили, что спиновая система существенно изолирована в течение времени, которое изменяется от 15 с до 15 мин, и что за времена, короткие по сравнению с этим временем, спиновая система может находиться в состоянии с отрицательной температурой. В этом состоянии уровни с более высокой энергией заселены более полно по сравнению с уровнями с низкой энергией. Такая система характеризуется тем, что когда на нее падает внешнее излучение, то вынужденное излучение превосходит поглощение.
В эксперименте Парселла и Паунда они наблюдали сигнал, который получался из-за распада инверсной населенности зеемановских уровней. Никто не придал значения тому, что это метод, который позволяет получить инверсию, или тому факту, что система с отрицательной температурой, связанная с микроволновым резонатором или волноводом, может дать когерентное усиление благодаря процессу вынужденного излучения. Вероятно, это было из-за того факта, что этот метод получения инверсии давал только краткосрочное существование инверсной населенности. Лишь позднее методы получения инверсии были использованы для создания мазеров.
Глава 10
РњРђР—Р•Р
Теперь мы готовы рассказать, как был изобретен мазер или, лучше сказать, как он был открыт, имея в виду, что во Вселенной существуют звездные мазерные источники, и поэтому человек эффективно воспроизвел в лаборатории то, что уже существовало в природе.