Физические основы квантовой электроники

Как-то раз, ещё в XVII веке И. Ньютон создал карпускулярную теорию света, согласно которой свет рассматривался как поток частиц, а Х. Гюйгенс разработал волновую теорию света, в которой свет объяснялся распространением волн в эфире - гипотетической среде, заполняющей всё "пустое" пространство и все промежутки между частицами обычных веществ. В дальнейшем Дж. Максвеллом была создана электромагнитная теория света. Эта теория рассматривала свет в виде электромагнитных волн - взаимосвязанных колебаний электрического и магнитных переменных полей, составляющих единое электромагнитное поле. В конце XIX века Х. Лоренц создал классическую электронную теорию вещества, а затем Э. Резефорд предложил планетарную модель атома, согласно которой электроны внутри атома вращаются по различным орбитам вокруг положительно заряженного ядра, причем разным орбитам соответствуют различные уровни энергии электронов. Расчеты показали, что напряженность электрического поля, возникающего между электронами и ядром и удерживающего электроны на орбите, достигает миллиардов вольт на сантиметр. Предполагалось, что вращение электронов было причиной излучения световых волн. Но не было объяснения такому странному положению: почему электроны, теряя при излучении энергии, не падают на ядро.

В 1900 г. М. Планк показал, что свет излучается не непрерывно, а отдельными порциями, которые он назвал квантами, причем энергия кванта равна W=hν, где ν - частота излучения, а h - постоянная Планка, равная приблизительно 6,63х10^-34 Дж·с. Впоследствии квант светового излучения получил ещё одно название - фотон. В 1905 г. А. Эйнштейн объяснил с помощью теории квантов фотоэффект, открытый Г. Герцем. Однако явления дифракции и интерференции теория квантов не могла объяснить. Эти явления можно понять только с помощью волновой теории.

Нильс Бор первым сумел объяснить планетарную модель атома также с точки зрения квантовой теории. Он показал, что вращаясь на стационарных (постоянных) орбитах, электроны не излучают. Излучение происходит только при переходе электрона с удаленной от ядра орбиты, которой соответствует высокий энергетический уровень, на более близкую к ядру орбиту, т. е. на более низкий энергетический уровень, являющийся основным. при этом излучается квант света, т. е. фотон. А. Эйнштейн показал, что момент скачка (излучения кванта) и направление излучения имеют случайный характер. Такое случайное самопроизвольное излучение принято называть спонтанным. Оно является следствием возбуждения атома, т. е. перехода электрона с основной орбиты на более удаленную от ядра орбиту, на которой электрон обычно находится в течении малой доли секунды. Возбуждение атома происходит при поглощении света, или под влиянием температуры, или при ударе в атом внешнего электрона. Излучение обычных источников света, например, раскаленных тел, является спонтанным, так как различные атомы излучают кванты в различные моменты времени, в различных направлениях и с различной энергией, т. е. излучение происходит беспорядочно.

Однако существует и другой вид излучения, открытый А. Эйнштейном и называемый вынужденным, или индуцированным, или стимулированным. Оно заключается в том, что столкновение фотона с возбужденным атомом может вызвать переход атома в невозбужденное состояние, т. е. переход электрона на основную, менее удаленную от ядра орбиту с испусканием фотона, который по количеству энергии и направлению излучения одинаков с фотоном, вызвавшим этот процесс. Таким образом, здесь момент излучения и его направление не являются случайными, а определяются фотоном, ударившим в атом.