Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех

Подождите немного. Документ загружается.

преобладать переходы с верхнего уровня на нижний, что приве

дет к усилению падающего на вещество света.

Состояние вещества, в котором создана инверсная насе

ленность энергетических уровней, называется активным или

рабочим, а процесс создания инверсной населенности называ

ется

ннааккааччккоойй

. Методы накачки разнообразны и зависят от ти

па лазера (твердотельного, жидкостного, газового, ядерного,

полупроводникового и т.п.).

Рассмотрим процесс оптической накачки на примере тре

хуровневого рубинового лазера. Трехуровневым он называется

потому, что энергетический пе

реход электронов здесь осущес

твляется благодаря третьему,

дополнительному уровню, ко

торый называется

ммееттаассттаа**

ббииллььнныымм

(на рисунке ему соотве

тствует уровень Е

). В отличие

от возбужденного состояния

(уровень Е

), время жизни ато

ма на этом уровне 10

3

с, что в миллион раз дольше, чем 10

9

с.

Необходимость использования метастабильного уровня

объясняется вот чем: при оптической накачке атомы сначала

возбуждаются, поглощая свет. Но для этого недостаточно толь

ко двух уровней. Какой бы мощной ни была лампа накачки,

возбужденных атомов не станет больше, чем невозбужденных.

Поглотив первоначальное излучение, атомы переходят в

возбужденное состояние (которому соответствует уровень Е

из которого тут же спонтанно и без излучения перескакивают на

метастабильный уровень Е

где и накапливаются. Через неко

торое время число атомов на уров

не Е

начинает превышать число

атомов в основном состоянии,

создавая требуемую инверсию на

селенности.

Однако для нормального

функционирования лазера такой

процесс должен повторяться мно

гократно и регулярно. Для этого

активную среду помещают в оп

www.nanonewsnet.ru

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

Рис 37. Трехуровневая схема оптической

накачки

Рис 38. Схема оптического резонатора

тический резонатор (систему, способную породить колебания

определенной амплитуды и частоты), который представляет со

бой систему двух зеркал.

В пространстве, заполненном активной средой, между двумя

зеркалами, одно из которых полупрозрачное (на рисунке  зеркало

2), движется поток излучаемых атомами фотонов. Большая часть

этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и в виде ко

герентного луча излучается во внешнее пространство, а небольшая

часть потока отражается обратно. В свою очередь, эти фотоны вы

зывают вынужденный переход встретившихся на их пути атомов и

т.д. Развивается лавинообразный процесс, причем каждый следую

щий фотон летит в том же направлении, что и фотон, его вызвав

ший.

Таким образом, оптический резонатор обеспечивает мно

гократное происхождение световых волн, распространяющих

ся вдоль его оси по усиливающей среде, вследствие чего дости

гается высокая мощность излучения, поэтому если какойто

внешний источник энергии (относительно слабый) может под

держивать инверсное состояние активной среды, то через зер

кало 2 все время будет излучаться когерентный поток фотонов.

Свойства лазерного излучения

Излучение лазера представляет собой поток летящих почти

параллельно одинаковых фотонов. Это придает ему ряд важных

особенностей.

Вопервых, очень малая расходимость лазерного излуче

ния. Если, например, диаметр лазерного пучка 1 см, а длина

волны 5·10

5

см, то угол расходимости составит всего 0,003°, то

есть, фактически, получаем параллельный поток излучения. С

помощью собирающих линз и зеркал лазерные лучи можно

сфокусировать в точку размером 500 нм (для видимого света).

Если такой луч послать на Луну, то он высветит на её поверх

ности круг диаметром 30 м. Луч хорошего прожектора осветил

бы поверхность диаметром 40.000 километров.

Вовторых, лазерное излучение обладает высокой монох

ромностью, т. е. имеет практически однуединственную час

тоту и соответствующую ей однуединственную длину вол

ны. Это объясняется тем, что у всех фотонов в лазерном луче

одинаковая энергия.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Третья особенность лазерного излучения состоит в том, что

можно в широких пределах управлять длительностью излуче

ния от сколь угодно длительных до сверхкоротких (вплоть до

15

с) импульсных вспышек. Импульсы такой малой длитель

ности имеют в пространстве ничтожно малую длину и огром

ную мощность. Современные лазеры излучают в одном таком

импульсе энергию до нескольких тысяч джоулей! Это сравнимо

с мощностью крупнейших электростанций. Огромная мощ

ность лазерного излучения приводит к тому, что вещества, ос

вещенные лазером, могут быть нагреты до весьма высоких тем

ператур. Интенсивность сфокусированного лазерного луча мо

жет быть 10

Вт/см

и более, при этом напряженность электри

ческого поля в луче достигает 10

В/см. Под действием такого

сильного поля происходит не только ионизация атомов  они

расщепляются на электроны и положительные ионы  но и

термоядерные реакции, в ходе которых одни элементы

превращаются в другие.

Лазеры имеют многочисленные применения в технике для

сварки, резки и плавления металлов, в медицине  как бескров

ные скальпели при лечении разных болезней. Лазерная лока

ция позволила измерить скорость вращения планет и уточнить

характеристики движения Луны и Венеры. Лазеры используют

ся в оптоволоконных линиях связи для передачи и обработки

большого объема информации. Лазеры считывают информа

цию с компактдисков в каждом компьютере и проигрывателе.

Наконец, применяя лазеры для нагрева плазмы, пытаются ре

шить проблему управляемого термоядерного синтеза. В насто

ящее время созданы лазеры, генерирующие излучение в инф

ракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн.

За создание лазеров советские физики Н. Басов и А. Прохоров

вместе с американским физиком Ч. Таунсом в 1964 году полу

чили Нобелевскую премию.

Корпускулярноволновой дуализм нанообъектов

Итак, мы уяснили, что свет представляет собой одновре

менно частицу и волну. В 1924 году французский ученый Шарль

де Бройль распространил принцип квантововолнового дуализ

ма на все микрообъекты природы. Согласно де Бройлю, каждой

частице следует поставить в соответствие волну, длина которой

www.nanonewsnet.ru

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

связана с импульсом этой частицы. По де Бройлевской

ггииппооттее**

ззее оо ввссееооббщщннооссттии ккооррппууссккуулляяррнноо**ввооллннооввооггоо ддууааллииззммаа,,

не только

фотоны, но и все частицы вообще (электроны, протоны и т.д.)

наряду с корпускулярными обладают также волновыми свой

ствами. Последние, в свою очередь, должны проявляться в яв

лениях дифракции и интерференции частиц.

Когда мы изучаем свет, сначала бросаются в глаза его вол

новые свойства, а при более пристальном рассмотрении – кор

пускулярные. При изучении же частиц наблюдается обратная

картина.

В соответствии с известным соотношением Эйнштейна,

фотону с энергией Е=ћ

, соответствует энергия mc

=ћ

Здесь с  скорость света; m  масса фотона;

 его частота.

Отсюда:

Учитывая, что импульс фотона p=mc, а частота света свя

зана с длиной волны l соотношением: n=2pс/l, получим:

Данное уравнение является замечательной иллюстрацией

двойственной природы света, поскольку объединяет длину вол

ны света

, связанную с его волновой природой, и импульс фо

тона p, характеризующий его как частицу.

Заслуга де Бройля состоит в том, что он распространил дан

ную формулу на все частицы материи, придав ей универсальное

значение.

где p=mv  импульс частицы,

m  масса частицы,

v  ее скорость.

Гипотеза де Бройля впоследствии была подтверждена экс

периментально. В частности, в опыте американских физиков

К. Дэвидсона и Л. Джермера в 1927 году обнаружена дифракция

элементарных частиц – электронов. Для этого они использова

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ли всем хорошо известную электроннолучевую трубку, приме

няющуюся в телевизорах, дисплеях и осциллографах.

В этих трубках (или электронных пушках) электронные пуч*

ки, генерируемые катодом и управляемые электромагнитным

полем, направляются в сторону экрана, покрытого люминофо

ром. При попадании частицы в экран на нем возникает светя

щееся пятнышко. Так вот, на пути от источника к экрану элект

роны ведут себя как классические частицы, и их движение

можно рассчитать средствами классической физики. Однако

если на пути летящих в трубке электронов поставить экран со

щелью, то после прохождения их через эту щель на экране наб

людается чередование темных и светлых полос, аналогичное

дифракционной картине световых волн. Значит, электроны

способны к дифракции, то есть ведут себя подобно волнам!

Позднее советский ученый Тартаковский доказал, что вол

новые свойства присущи не только пучкам электронов, но и

каждому электрону в отдельности. А в 1999 году обнаружена

интерференция фуллеренов и биомолекул.

В таблице приведены и другие эксперименты, свидетельствую

щие как о волновых, так и о корпускулярных свойствах электрона:

Человеку, привыкшему к законам макромира, бывает труд

но представить волновую природу электрона или другой части

цы. Нам удобнее представлять себе электрон в виде воображае

мого шарика в миниатюрной солнечной системе. Тем не менее,

это представление годится только для первоначального знако

мства с понятием межатомных взаимодействий, но не подходит

для дальнейшего изучения квантовой механики. Поэтому к

атому нужно подходить скорее как к странному музыкальному

инструменту – аналогу звукового резонатора, – в котором

вместо звуковых волн мы имеем волны электронные.

www.nanonewsnet.ru

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

ИИссссллееддууееммооее яяввллееннииее ВВооллннооввааяя

ттееоорриияя

ККооррппууссккуулляяррннааяя

ттееоорриияя

Дифракция + –

Отражение + +

Преломление + +

Интерференция + –

Фотоэффект – +

Табл 2. Эксперименты, свидетельствующие о волновых и корпускулярных свойствах электрона

Такое сравнение помогает понять суть квантования орбит.

Известно, что натянутые струны рояля как простейшие резона

торы могут колебаться только с определенной частотой. Поэто

му, говоря об электронных орбитах, следует иметь в виду раз

личные частоты колебаний. Меняя частоту, электрон излучает

световую волну, частота которой тем выше, чем больше разни

ца частот электрона, между которыми произошел переход.

Приведем еще одну аналогию, которая поможет облегчить

понимание волновой природы электрона. Вообразите серию

волн, набегающих на пологий берег. Они имеют вполне опреде

ленную скорость, и ее можно вычислить, зная время и расстояние

между двумя соседними гребнями. Волна, однако, не особенно

локализована, она занимает большое пространство. Электрон,

скорость которого известна (в отличие от положения, которое мы

смутно представляем), можно представить в виде такой волны.

Длина волны де Бройля обратно пропорциональна импуль

су частицы. Фактически это означает, что для больших тяжелых

частиц длина волны очень мала, и волновые свойства таких час*

тиц заметить практически невозможно. Это касается всех мак

рообъектов, для болееменее точного описания которых вполне

хватает классической механики.

Квантовые пределы точности измерений

Одной из актуальнейших проблем современной нанотехно

логии является так называемая “проблема толстых пальцев”, под

которой подразумевается сложность манипулирования микро и

наночастицами. Ведь если даже диаметр волоса в несколько ты

сяч раз превосходит нанометровые размеры, то какими же долж

ны быть инструменты для работы с объектами квантового мира?

Бор сформулировал один из основополагающих принци

пов квантовой механики –

ппррииннцциипп ддооппооллннииттееллььннооссттии,,

согласно

которому невозможно точно измерить одну физическую вели

чину микрообъекта без потери информации о величине, допол

нительной к ней.

Фактически суть таких взаимно дополнительных величин

описывается и соотношением неопределенностей Гейзенберга,

которое утверждает, что существуют такие пары физических вели

чин, одновременное и точное определение которых невозможно.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Примером такой пары величин являются координаты части

цы x и проекция ее импульса p на ось х. Количественно соотно

шение неопределенностей формулируется следующим образом:

Отсюда следует, что если мы точно определили координату

частицы:

то мы ничего не можем сказать об ее импульсе:

И наоборот.

Из соотношения неопределенностей следует, что чем точнее

определено значение одной из входящих в него величин, тем ме

нее определено значение другой. Например, по столу ползет му

ха. Попытаемся определить одновременно ее координату и им

пульс. Для точного определения координаты “зафиксируем” по

ложение мухи хлопушкой. Да, в этом случае мы точно знаем ко

ординату мухи, но что тогда можно сказать о ее импульсе? Ведь

она уже не ползет, а лежит вверх ножками… Конечно, данная ана

логия не совсем корректна, поскольку муха является далеко не

квантовым объектом, но она весьма показательна.

Рассмотрим еще несколько примеров. Допустим, нам тре

буется определить координату Dx и импульс Dp электрона.

Зная, что электрон обладает волновыми свойствами, мы даже

интуитивно чувствуем, что волна – это ускользающий объект,

который “не дается в руки”. Чтобы определить местонахожде

ние электрона Dx, он должен рассеять хотя бы один фотон. При

этом вследствие дифракции координата будет определена с

точностью до порядка длины волны фотона:

x ~

(1).

Но, рассеивая фотон, электрон изменяет свой импульс на

величину

p, которая будет примерно равна импульсу фотона:

www.nanonewsnet.ru

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

Если

x–неопределенность координаты частицы, а

p–

неопределенность проекции импульса частицы p на ось x, то

произведение этих неопределенностей должно быть не меньше

постоянной Планка ћ:

Из (1) и (2) следует:

Dp ~ ћ,

то есть как раз соотношение неопределенностей.

Другая пара величин, связанных соотношением неопреде

ленностей, – это энергия системы Е и время t, в течение кото

рого система имеет это значение энергии. В этом случае соот

ношение неопределенностей выглядит так:

t ~ ћ.

Отсюда следует, что если мы имеем возможность наблюдать

динамическую систему в течение времени

t, то ее энергия мо

жет быть определена с точностью, не более, чем:

Таким образом, соотношение неопределенностей устанав

ливает фундаментальные, принципиально непреодолимые пределы

точности измерений. Можно даже сказать, что природа позво

ляет изучать себя с точностью только до соотношения неопре

деленностей, и не более того.

Читатель может возразить, что если мир един, то почему мы

не говорим о принципе неопределенности для измерения клас

сических частиц, например, в случае движения бильярдного

шара или автомобиля? На самом деле неопределенность прису

тствует и здесь, но по ряду причин мы ее не замечаем. Вопер

вых, любое измерение, выполненное с помощью инструмен

тов, пусть даже самых совершенных (а совершенству, как изве

стно, нет предела), не может быть идеальным в том смысле, что

положение и скорость не могут быть определены совсем без

ошибок. Ошибки hприсущи физическим измерениям; можно

стремиться к их уменьшению, но избавиться от них полностью

нереально. Вовторых, неопределенность, предсказанная Гей

зенбергом, уменьшается с увеличением массы рассматриваемо

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

(2).

www.nanonewsnet.ru

ГЛАВА 2. Законы квантового мира

го объекта, пока не становится совершенно незаметной в слу

чае макроскопических тел.

Итак, мы убедились, что:

Никакой эксперимент не может привести к одновременному

и точному измерению величин, которые являются дополни

тельными друг к другу.

Принцип дополнительности часто объясняют влиянием

измерительного прибора на частицы. С одной стороны, это оп

равданно, поскольку большинство измерительных приборов

так или иначе является макроскопическими, грубыми по отно

шению к размерам квантовых объектов. Понятно, что чем

больше техническое несовершенство измерительного прибора,

тем менее определенными (точными) будут измерения.

С другой стороны, неопределенность в измерениях связана

не только с несовершенством измерительной техники, но и с

объективными свойствами материи. Дело в том, что любое из

мерение как физический процесс обязательно сопровождается

воздействием на объект в процессе измерения. Когда мы, пред

положим, определяем силу тока в цепи с помощью амперметра,

в идеале нужно изолировать его от всех внешних факторов, в

том числе делать это, например, в абсолютной темноте. Ведь

фотоны света могут оказывать давление на стрелку и показания

амперметра в темноте и на свету будут различными.

Разумеется, ни один психически здоровый человек не станет

учитывать подобные “тонкости” в макромире, но когда речь идет

о пространстве квантовых величин, без этого просто не обойтись.

Волновая функция и вероятностный характер

поведения квантовых объектов

Классическая механика решает задачи, в которых состоя

ние системы тел в любой момент времени может быть точно

рассчитано.. Квантовой же механике приходится иметь дело с

объектами, изучение которых ограничено принципом неопре

деленности, описанным выше.

Если в классическом мире мы выбираем некоторый объем

dV и решаем задачу поиска местонахождения частицы (напри

мер, нахождения телевизора в комнате), то имеются только два

варианта точного решения этой задачи:

либо частица находится в данном объеме (вероятность

ее нахождения там равна 1 или 100%)

либо частицы нет в данном объеме (вероятность ее на

хождения там равна 0 или 0%)

Законы квантового мира не обладают той степенью нагляд

ности, которая свойственна законам классической механики.

Здесь все гораздо сложнее. Например, известно, что указать точ

ное расположение электрона в атоме невозможно – он как бы

“размазан” вокруг положительно заряженного ядрапротона. Тем

не менее, мы все же можем утверждать, что с определенной долей

вероятности данный электрон находится на той или иной орбите.

Поэтому для решения задачи нахождения частицы в кван

товом мире мы можем лишь указать, что вероятность dP того,

что частица находится в объеме dV равна:

Очевидно, что чем больше рассматриваемый объем, тем

выше вероятность обнаружить в нем искомую частицу (если,

например, заранее известно, что телевизор находится в комна

те, то, увеличивая объем той части комнаты, в которой произ

водится поиск, мы тем самым увеличиваем вероятность успеш

ного обнаружения искомого предмета).

Следовательно, вероятность dP прямо пропорциональна dV

и связана с ней следующим соотношением:

dP=|

·dV

Коэффициент пропорциональности |Y|

– это квадрат амп

литуды волновой функции.

Исторически название “волновой” она получила потому,

что уравнение, определяющее эту функцию (уравнение Шрё

дингера, о котором речь пойдет дальше), внешне похоже на

уравнение, описывающее волновые процессы (типа Sin, Cos).

Но на самом деле мы не можем ассоциировать волновую функ

цию микрочастицы с какойто физической реальностью, как в

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ВВооллннооввааяя ффууннккцциияя

 это величина, которая в квантовой меха

нике полностью описывает состояние микрообъекта (электро

на, протона, атома и т.п.) и вообще любой квантовой системы.