Часть 3.

Эйнштейн теоретически показал, что атом может перейти с уровня на не спонтанно, а под действием электромагнитной волны, если только частота этой волны достаточно близка к частоте перехода атома (рис. 2). Такая резонансная волна как бы «раскачивает» электрон и ускоряет его «падение» на уровень с меньшей энергией. Переходы, происходящие под действием внешней электромагнитной волны, называются вынужденными (или индуцированными, стимулированными). При вынужденном излучении атом отдает энергию электромагнитной волне, амплитуда которой (или число фотонов) вследствие этого возрастает. особенность вынужденного испускания состоит в том, что излучаемый при вынужденном переходе фотон абсолютно неотличим от вызвавших переход привычных фотонов; он имеет ту же частоту и фазу, то же направление движения и ту же поляризацию. Именно эта особенность вынужденного излучения позволяет его использовать для усиления электромагнитных волн и для создания генераторов монохроматического, когерентного, направленного излучения.

Кроме рассмотренного вынужденного перехода «вниз», при котором излучается энергия, происходят и вынужденные переходы «вверх», приводящие к резонансному поглощению фотонов или энергии электромагнитной волны веществом.

Пусть в веществе атомов невозбужденны, а атомов возбуждены, т.е. атомов находятся на уровне , а – на уровне . Если система находится в термодинамическом равновесии, то при должно быть . Это следует из классической статистики Больцмана, которая дает выражение для населенности энергетических уровней. Действительно, если

(2)

Где – некоторая постоянна, зависящая от свойств системы, – постоянная Больцмана и – абсолютная температура, то

(3)

И при (последнее, всегда справедливо для равновесной системы) имеем .

В некоторых квантовых системах искусственно можно создать условия, при которых заселенность уровня будет выше, чем уровня . Термодинамически такое состояние системы нестабильно. Однако, система может находиться в таком неустойчивом состоянии достаточно долго. Такое состояние называется метастабильным, распределение атомов по энергетическим состояниям называется инверсным, а среда – инверсной или активной.

Так как в инверсном состоянии при , то, как видно из (3), для такого состояния абсолютная температура формально получается отрицательной. Поэтому инверсные среды называют иногда средами с отрицательными абсолютными температурами. Следует подчеркнуть, что введение отрицательных температур является только формальным приемом, связанным с применением статистики Больцмана, справедливого для равновесных состояний газа, к инверсным средам, которые на самом деле являются неравновесными. Для таких сред классическое понятие температуры вообще неприменимо. Отрицательная температура не имеет обычного физического смысла, а имеет смысл параметра статистического распределения и является удобной величиной, характеризующей неравновесность системы. Отметим, что средняя энергия электрона в среде с инверсной заселенностью (т.е. при отрицательной температуре) больше, чем в равновесном состоянии.