神通激光

第一節 光來自“小太陽係”

　　世界真奇妙：激光竟然有那麽優異的品格，有那麽高強的本領，廣受青睞，處處建功。其實，自然界的事物都有其內在規律。凡事問一個為什麽，刨根問底，查明機理，才能獲得真知。那麽，激光的天賦和才能是怎麽來的呢？

　　人們經過長期的研究和實踐，發現各種各樣的發光現象都與光源內部原子的運動狀態有關係。為了揭開發光現象的謎底，人們對原子的結構和運動狀態做了大量的研究。原來，原子的結構，很像我們這個太陽係。我們知道，太陽係是由一個太陽和水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星9大行星組成的。太陽居於中心，9大行星分別在自己的軌道上環繞著太陽運行。原子的結構也是這樣，它是由一個原子核和一些電子組成的，這些電子沿著一定的軌道，繞著原子核永不停止地旋轉。其中，原子核帶有正電荷，電子帶有負電荷。不同元素的原子，核外電子的數目是不同的，但原子核所帶的正電荷和所有的核外電子所帶的負電荷總是恰好相等的，因此，整個原子呈中性。

　　原子結構最簡單的是氫原子，它的核外隻有一個電子。其它元素的原子結構就比較複雜了。例如，氦原子中有兩個電子，矽原子中有14個電子，銀原子中有47個電子，鈾原子中有92個電子。

　　這裏，我們以氫原子為例剖析一下原子內部的運動狀態。氫原子的原子核帶有一個電子電量的正電荷，原子核外那個電子帶有一個電子電量的負電荷。一個電子電量是一個電子帶有的電荷數量，是電荷的最小單位，數值為e=1.60×10——19庫侖。原子核的正電荷與電子的負電荷數量相等，它們之間存在著靜電吸引力。電子在靜電吸引力的作用下，繞著原子核不停地運轉著。

　　電子在繞原子核運動時有兩種運動趨向：一是電子繞核轉動時有離開核的趨向；二是電子受核的正電荷吸引力作用而有靠近核的趨向。當這兩種作用達到相對平衡時，電子與原子核之間保持一定距離，也就是說，電子能夠沿著一定的軌道而運動。電子繞著原子核轉圈子運動，具有一定的能量，叫做動能；電子被原子核吸引著，保持在一定的軌道上，具有另一種能量，叫做位能，動能和位能之和就是原子的內能。當電子與核之間的距離保持不變時，原子的內能不會改變。如果受到某種外界的作用，電子與核之間的距離就會改變。電子運動的軌道離原子核越遠，電子所具有的能量就越大，因而原子的內能也越大；後之，電子運動的軌道離原子核較近，電子所具有的能量也越小。在沒有外界作用的情況下，一般來說，原子中的電子都盡可能沿著離原子核較近的一定軌道上運動。

　　電子繞著原子核運動的軌道的改變——電子與原子核之間的距離的改變，是不連續的，不能像電唱機針頭在唱片上繞著電唱機軸運動那樣連續變化。原子物理研究告訴我們：電子在原子中呈殼層分布。鈾原子中的電子分布。圖中，圓圈表示電子分布的殼層，黑點表示該殼層上的電子。原子中的電子隻能在一個一個間隔開來的特定軌道上運動。這樣，原子的內能也就成為一檔一檔分開的，因而不能連續地變化，也就是說，原子內能值的變化是一係列不連續的值。

　　我們把分成一檔一檔的原子內能值叫做原子的能級，可以用能級圖來表示。圖中，每一條橫線代表一個能級，最低的能級E1叫做基級，代表的原子能量狀態叫做基態，相當於電子在最小的軌道上運動。往上去的其他能級，如E2、E3等叫做激發能級，代表的原子能量狀態叫做激發態，相當於電子在各個較大的軌道上運動。處於基態的原子受到外界的“剌激”，如受到光的照射，受到電子或原子的撞擊，便獲得了能量，於是上升到較高的能級去，原子的這種能態的變化過程叫做激發過程；反之，處於高能級的原子也可以釋放出一部分能量，而從較高的能級下降到較低的能級，或降低到基級，原子的這種能態的變化過程叫做躍遷過程。在這兩種過程中，原子所得到的能量，或原子所失去的能量，剛好等於兩個能級之間的能量差。

　　我們在某一時刻觀察某一種物質，並不是觀察一個原子，而是數不清的大量原子構成的物質。在這一時刻裏，一個原子自然是隻能處於某個一定的能級狀態，所觀察的大量原子中的各個原子卻可能處於不同的能級上，因此觀察到的是大量的、處於不同能級的原子的總情況。如前麵講過的，我們拍攝一種原子光譜，比如氫光譜，可以觀察到多條譜線。這表明，我們觀察到的結果，反映的是大量的原子分別從不同能級輻射躍遷到其他能級的情況。光譜線的強弱反映出從相同的高能級輻射躍遷到低能級的原子數目的多少。從同一高能級輻射躍遷到低能級的原子數越多，即同一條譜線的發光原子數越多，這條光譜線就越亮。

　　對於氣體來說，大量的同類氣體原子在運動的過程中，會互相碰撞，交換能量。這樣，有些原子就會被激發到高能級去，而另一些原子則處於低能級。氣體分子間彼此能量交換通常表現為熱運動能量，當達到熱平衡的時候，在氣體的單位體積內處於各個能級上的原子數目的比值是一定的，換句話說，當熱平衡時，在單位體積內的同類氣體原子在各個能級上是按照一定的統計規律分布的。具體說來就是，處於高能級的原子數比處於低能級的原子數少，而且，激發能級越高，處於這個能級上的原子數越少。這種原子分布狀態，叫做原子的正常分布。