Искатель, 1961 № 06 - [4]
На помощь пришла квантовая механика.
Уже давно было известно, что каждый атом можно рассматривать как маленькую радиостанцию. Ученые пришли к такому выводу, когда хорошо познакомились со свойствами и поведением атомов. Оказалось, если атом облучать электромагнитными волнами определенной длины, то он поглотит энергию, и притом строго определенными порциями — квантами.
Обычно один атом поглощает в один прием один квант. Атом, поглотивший квант, называется возбужденным. Если же возбужденный атом снова облучать волной той же длины, он уже не сможет поглотить вторую порцию энергии. Наоборот, атом испустит «запасенный» квант и возвратится в исходное энергетическое состояние.
Весьма условно этот процесс можно представить себе так. В стакан, до краев наполненный водой, добавьте порцию воды. Вода поднимется бугорком над краями стакана. Теперь попытайтесь влить вторую порцию воды. Вы увидите, что вода выльется и уровень ее снова снизится до краев.
Советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров создали «квантовую радиостанцию» — молекулярный генератор радиоволн сантиметрового диапазона.
Свойство атомов возбуждаться, а затем излучать квант и натолкнуло ученых на мысль о создании квантово-механического генератора электромагнитных волн оптического диапазона. Так назвали прибор, с помощью которого свет в виде электромагнитных волн одной частоты можно излучать узким пучком.
Много лет тому назад советский ученый В. А. Фабрикант предложил усилитель электромагнитных волн, основанный на этом же принципе.
Стояла темная, безлунная ночь. На площадке высокой вышки ученые установили небольшой прибор, напоминающий кинопроекционный аппарат.
В его кожухе помещался стерженек окиси алюминия, в который было добавлено некоторое количество хрома, — искусственный рубин.
Длина стерженька — несколько сантиметров, а толщина — с карандаш диаметром в полсантиметра. Торцы стержня покрыты слоем серебра: на выходе — полупроницаемым для квантов света, а с другой стороны — непроницаемым.
На стерженек надета спиральная лампа мощностью в несколько киловатт, дающая белый свет.
Вот и все принципиальное устройство квантово-механического генератора.
Закончены последние приготовления..
Слышится команда:
— Сигнал!
Из трубки прибора вырывается ослепительный рубиновый луч. Он уходит вдаль, подобно металлической спице.
Он ярче солнца.
Если бы мы захотели получить такую же яркость излучения с помощью нити накаливания, то температура ее должна была бы быть выше, чем температура в центре Солнца, Иными словами, равнялась бы нескольким миллиардам градусов.
Но рубин, который посылал этот фантастический луч, оставался холодным. Его можно было взять в руки.
Рубиновая игла пронизывала ночную тьму, но она не освещала ни облаков, ни деревьев, Кругом по-прежнему царил мрак.
На вышке раздался телефонный звонок. Это звонили с приемной станции, расположенной в сорока километрах.
— Видим! — послышалось в трубке. — Видим! На экране — светлое пятно диаметром около метра!
То, о чем здесь рассказано, уже не фантастика. Такие испытания действительно проводились. Луч ярче солнца существует.
Что происходит в рубине, посылающем такой луч?
Для создания квантового генератора подходящими по своим свойствам оказались атомы хрома.
При облучении атомы хрома захватывают кванты зеленого света. Возбужденный атом очень неустойчив. Через мгновение он самопроизвольно теряет небольшую часть энергии. Потерянная им энергия превращается в тепло и рассеивается в пространстве.
Излучения кванта при этом не происходит.
Атом оказывается в третьем энергетическом состоянии — промежуточном между возбужденным и невозбужденным. Это состояние атома относительно устойчиво.
Множество находящихся в промежуточном состоянии атомов хрома — это нависшая, готовая обрушиться лавина. Она пока недвижна.
Что же вызовет обвал, цепную реакцию излучения квантов? Сами кванты. При переходе из промежуточного состояния в невозбужденное атомы излучат кванты, соответствующие красному свету. Лавина обрушится как бы под действием собственной тяжести.
Первый квант, случайно излученный вдоль кристалла, многократно отражается от его посеребренных зеркальных концов, образуя плоскую световую волну. Эта волна заставляет остальные атомы излучать в том же направлении — вдоль кристалла — так, что все остальные кванты присоединяются к этой волне, усиливая ее.
И лавина эта неиссякаема.
Зеленый свет постоянно возбуждает все новые и новые атомы, а ураган «красных» квантов в рубине не дает угаснуть цепной реакции.
Из рубина выходит световой луч, принципиально ничем не отличающийся от радиоволн в узкой полосе частот. А это, собственно, и есть работающая радиостанция, которая еще не начала своих передач.
Вот тот фантастический луч! Он-то и преодолеет сверхдальние космические расстояния, чтобы принести голос человека из глубины вселенной на Землю, и доставит телевизионную передачу с борта космического корабля.
Квантово-механический генератор оптического диапазона принципиально можно осуществить не только на искусственном рубине. На снимке показан прибор, в котором роль рубина выполняет смесь газов — гелия и неона, а возбуждение производится с помощью обкладок, излучающих электромагнитные колебания радиодиапазона.
