Obraz5 (105)

wością obliczymy względną liczbę atomów, jakie znajdują się w wyższych stanach energetycznych, do których zostały one przeniesione w wyniku zderzeń. W rozdziale 1 wyprowadziliśmy wzór barometryczny (równanie (1-42)), który uogólniliśmy do wzoru na rozkład Boltzmanna (równanie (1-44)). Aby porównać liczby atomów znajdujących się w dwóch różnych stanach energetycznych w warunkach równowagi termicznej, napiszemy ten wzór w postaci

nj/h = exp[—{E₂—E^jkT].    (11-45)

Dla wodoru w temperaturze pokojowej T = 293 K oraz dla E_z—E₁ — 10,2 eV mamy

== exp

10,2-1,60-10“¹⁹ 1,38-10-²⁸-293

_e-⁴⁰⁴ = 10~¹⁷⁶.

co jest wartością niezmiernie małą. Zauważmy, że w znacznie wyższej temperaturze (w atmosferze Słońca, 6000 K) stosunek liczby atomów w stanie wzbudzonym do ich liczby w stanie podstawowym byłby już znaczny, mianowicie njti_x = 10“^8,6. Zauważmy także, że liczba atomów wzbudzonych, nawet w temperaturze pokojowej, byłaby duża, gdyby odstęp między poziomami energetycznymi był znacznie mniejszy. Zwróćmy uwagę na fakt, że e° == 1. Zatem niezależnie od tego jak mała jest różnica energii poziomów lub jak wysoka jest temperatura, liczba atomów w stanie wyższym nie może przekraczać, średnio, liczby atomów w stanie niższym (przez cały czas obowiązuje założenie, że wodór jest w stanie równowagi termicznej).

Zgodnie z tym co zostało powiedziane w paragrafie 8-6, emisja wymuszona i absorpcja promieniowania są procesami jednakowo prawdopodobnymi, jeśli występują w identycznych warunkach. Jednakże warunki te na ogół nie są identyczne. W wodorze, w temperaturze pokojowej, obsadzenia stanów, które mogą emitować względnie absorbować fotony o energii 10,2 eV różnią się ogromnie, dlatego absorpcja jest procesem o przytłaczającej przewadze nad emisją wymuszoną. Gdybyśmy wymyślili sposób stworzenia warunków, w których więcej atomów znajdowałoby się w stanie wyższym, wówczas emisja wymuszona dominowałaby nad absorpcją. Otrzymalibyśmy wówczas więcej niż byśmy „włożyli”, a więc byłoby to wzmocnienie.

Znaleziono szereg pomysłowych metod realizacji takich warunków. W roku 1955 Gordon, Zeiger i Townes uruchomili pierwszy maser. Użyli oni cząsteczek amoniaku zamiast wodoru, którego własności omówiliśmy wyżej. Cząsteczka amoniaku (NHg) ma stan wzbudzony o energii 10^-4 eV, tak więc w temperaturze pokojowej (293 K) mamy

— = exp n.

i.

10-M,60-10"^ls 1,38-10"²⁸-293

ESi

W stanie równowagi termicznej stosunek liczby cząsteczek wzbudzonych do niewzbudzo-nych jest bliski jedności. W „naturalnych” warunkach prawie tyle samo cząsteczek jest w stanie wzbudzonym co w stanie niewzbudzonym. Wybitnym osiągnięciem Townesa i jego współpracowników było wynalezienie separatora cząsteczek. Amoniak wpuszczany był przez dyszę do odpompowanego układu. Strumień cząsteczek przechodził przez układ elektrod, gdzie dzięki różnym własnościom elektrycznym, cząsteczki wzbudzone odchylane były w jednym kierunku, a cząsteczki niewzbudzone w drugim kierunku. Do komory mogły przejść tylko cząsteczki wzbudzone. Energia stanu wzbudzonego wynosi 10^-4 eV,

324