1. Nguyên lý tạo ra tia laser
Cấu trúc nguyên tử giống như một hệ mặt trời thu nhỏ, với hạt nhân nguyên tử nằm ở trung tâm. Các electron liên tục quay quanh hạt nhân nguyên tử, và hạt nhân nguyên tử cũng liên tục quay.
Hạt nhân được cấu tạo từ các proton và neutron. Proton mang điện tích dương và neutron không mang điện tích. Tổng số điện tích dương của toàn bộ hạt nhân bằng tổng số điện tích âm của toàn bộ electron, vì vậy nhìn chung các nguyên tử trung tính đối với môi trường bên ngoài.
Xét về khối lượng của nguyên tử, hạt nhân tập trung phần lớn khối lượng, còn khối lượng do tất cả các electron chiếm giữ thì rất nhỏ. Trong cấu trúc nguyên tử, hạt nhân chỉ chiếm một không gian nhỏ. Các electron quay quanh hạt nhân, và chúng có không gian hoạt động lớn hơn nhiều.
Nguyên tử có “năng lượng nội tại”, bao gồm hai phần: một là tốc độ quay và động năng nhất định của các electron; phần còn lại là khoảng cách giữa các electron mang điện tích âm và hạt nhân mang điện tích dương, cùng với một lượng thế năng nhất định. Tổng động năng và thế năng của tất cả các electron chính là năng lượng của toàn bộ nguyên tử, được gọi là năng lượng nội tại của nguyên tử.
Tất cả các electron đều quay quanh hạt nhân; đôi khi càng gần hạt nhân, năng lượng của các electron này càng nhỏ; đôi khi càng xa hạt nhân, năng lượng của các electron này càng lớn; dựa trên xác suất xảy ra, người ta chia lớp electron thành các “mức năng lượng” khác nhau; trên một “mức năng lượng” nhất định, có thể có nhiều electron quay quanh, và mỗi electron không có quỹ đạo cố định, nhưng tất cả các electron này đều có cùng mức năng lượng; “Mức năng lượng” được phân lập với nhau. Đúng vậy, chúng được phân lập theo mức năng lượng. Khái niệm “mức năng lượng” không chỉ chia electron thành các mức theo năng lượng, mà còn chia không gian quỹ đạo của electron thành nhiều mức. Tóm lại, một nguyên tử có thể có nhiều mức năng lượng, và các mức năng lượng khác nhau tương ứng với các mức năng lượng khác nhau; một số electron quay ở “mức năng lượng thấp” và một số electron quay ở “mức năng lượng cao”.
Hiện nay, sách giáo khoa vật lý trung học cơ sở đã nêu rõ các đặc điểm cấu trúc của một số nguyên tử nhất định, quy luật phân bố electron trong mỗi lớp electron và số lượng electron ở các mức năng lượng khác nhau.
Trong hệ nguyên tử, các electron về cơ bản chuyển động theo lớp, với một số nguyên tử ở mức năng lượng cao và một số ở mức năng lượng thấp; vì các nguyên tử luôn bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài (nhiệt độ, điện, từ trường), các electron ở mức năng lượng cao không ổn định và sẽ tự chuyển xuống mức năng lượng thấp, tác động của chúng có thể bị hấp thụ, hoặc có thể tạo ra các hiệu ứng kích thích đặc biệt và gây ra "phát xạ tự phát". Do đó, trong hệ nguyên tử, khi các electron ở mức năng lượng cao chuyển xuống mức năng lượng thấp, sẽ có hai biểu hiện: "phát xạ tự phát" và "phát xạ kích thích".
Bức xạ tự phát là hiện tượng các electron ở trạng thái năng lượng cao không ổn định và, dưới tác động của môi trường bên ngoài (nhiệt độ, điện, từ trường), tự động chuyển xuống trạng thái năng lượng thấp, và năng lượng dư thừa được bức xạ dưới dạng photon. Đặc điểm của loại bức xạ này là sự chuyển đổi của mỗi electron được thực hiện độc lập và ngẫu nhiên. Trạng thái photon phát xạ tự phát của các electron khác nhau là khác nhau. Sự phát xạ ánh sáng tự phát ở trạng thái “không kết hợp” và có hướng phân tán. Tuy nhiên, bức xạ tự phát mang đặc tính của chính các nguyên tử, và phổ bức xạ tự phát của các nguyên tử khác nhau là khác nhau. Nói đến đây, ta nhớ đến một kiến thức cơ bản trong vật lý: “Mọi vật thể đều có khả năng bức xạ nhiệt, và vật thể có khả năng liên tục hấp thụ và phát ra sóng điện từ. Sóng điện từ bức xạ nhiệt có một phân bố phổ nhất định. Phân bố phổ này liên quan đến tính chất của chính vật thể và nhiệt độ của nó.” Do đó, lý do tồn tại của bức xạ nhiệt là do sự phát xạ tự phát của các nguyên tử.
Trong phát xạ kích thích, các electron ở mức năng lượng cao chuyển xuống mức năng lượng thấp dưới sự “kích thích” hoặc “cảm ứng” của “các photon phù hợp với điều kiện” và phát ra một photon có cùng tần số với photon tới. Đặc điểm lớn nhất của bức xạ kích thích là các photon được tạo ra có trạng thái hoàn toàn giống với các photon tới tạo ra bức xạ kích thích. Chúng ở trong trạng thái “kết hợp”. Chúng có cùng tần số và cùng hướng, và hoàn toàn không thể phân biệt được sự khác biệt giữa hai photon này. Bằng cách này, một photon trở thành hai photon giống hệt nhau thông qua một lần phát xạ kích thích. Điều này có nghĩa là ánh sáng được tăng cường, hay “khuếch đại”.
Bây giờ chúng ta hãy phân tích lại xem, những điều kiện nào cần thiết để thu được bức xạ kích thích ngày càng thường xuyên hơn?
Trong điều kiện bình thường, số lượng electron ở các mức năng lượng cao luôn ít hơn số lượng electron ở các mức năng lượng thấp. Nếu muốn các nguyên tử tạo ra bức xạ kích thích, cần tăng số lượng electron ở các mức năng lượng cao, vì vậy cần một "nguồn bơm", mục đích là để kích thích quá nhiều electron ở mức năng lượng thấp nhảy lên các mức năng lượng cao, khiến số lượng electron ở mức năng lượng cao nhiều hơn số lượng electron ở mức năng lượng thấp, và hiện tượng "đảo ngược số lượng hạt" sẽ xảy ra. Quá nhiều electron ở mức năng lượng cao chỉ có thể tồn tại trong thời gian rất ngắn. Chúng sẽ nhanh chóng nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn, do đó khả năng phát xạ kích thích sẽ tăng lên.
Dĩ nhiên, "nguồn kích thích" được thiết lập cho các nguyên tử khác nhau. Nó làm cho các electron "cộng hưởng" và cho phép nhiều electron ở mức năng lượng thấp nhảy lên mức năng lượng cao hơn. Về cơ bản, người đọc có thể hiểu laser là gì? Laser được tạo ra như thế nào? Laser là "bức xạ ánh sáng" được "kích thích" bởi các nguyên tử của một vật thể dưới tác động của một "nguồn kích thích" cụ thể. Đó chính là laser.
Thời gian đăng bài: 27 tháng 5 năm 2024
