Кванттық электроника негіздері

Кванттық электроника (КЭ) — электроника, қамтитын зерттеу және әзірлеу әдістері мен құралдарын күшейту және генерациялау электромагниттік тербелістер негізінде тиімділікке еріксіз сәуле атомдар, молекулалар және қатты тел. Жиі термині «Кванттық электроника» түсінеді жиынтығы кванттық электронды аспаптар мен құрылғылар — молекулалық генераторлар және кванттық күшейткіштер, оптикалық кванттық генераторлар (лазерлер) және т. б. — қолданылады мәжбүрлі сәуле шығару. — Кванттық электроника жатқызады, сондай-ақ сызықтық емес өзара іс-қимыл қуатты лазерлік сәулелену затпен және қолдану мұндай өзара іс-қимыл құрылғылар түрлендіру жиілік лазерлік сәулелену. Ең ірі қолданбалы бөлімде кванттық электроника болып табылады, лазерлік техника, құрумен байланысты лазерлердің әр түрлі типтерін, қасиеттерін зерттеумен лазерлік зерделеу және қолдану үшін әртүрлі практикалық міндеттерді шешу

Физикалық негіздері КЭ
Қарағанда, мысалы, вакуумдық электроника пайдаланатын түрлендіру үшін электромагниттік энергияның ағыны еркін электрондар, КЭ бар іс байланысқан электронами құрамына кіретін атом жүйелер: атомдардың, молекулалардың, кристалдардың. Заңдарына сәйкес кванттық механика, электрондар в атоме және, демек, атом жүйесі, тұтастай алғанда, болуы мүмкін тек белгілі бір энергетикалық жағдайлар, характеризуемых жанында дискретті мәндерін энергиясын x0, x1, x2,…, деп аталатын энергетикалық деңгейлері. Өзгерту ішкі энергия атом жүйесін сүйемелденеді квантовым көшумен электрона бір энергетикалық деңгейден екінші деңгейге. Бұл жүйе шығаратын немесе жұтып порцияға электромагниттік энергия квант — жиілігі nmn және энергиямен hnmn = xm — xn, мұндағы h — постоянная Планка, xm және xn — соңғы және бастапқы энергетикалық деңгейлері.

Сәуле кванттардың (тиісті мәртебесі электрон жоғарғы энергетикалық деңгейден төменгі) жүруі мүмкін қалай лифті өздігінен қозғалып кетуі — болмауы сыртқы өріс (спонтанды сәуле шығару), сондай-ақ амалсыздан — қатысуымен өріс (мәжбүрлі сәуле шығару) сіңіру, сол кванттардың (тиісті мәртебесі төменгі деңгейдегі жоғарғы) әрқашан процесс болып табылады амалсыз. Айтарлықтай нәтижесінде мәжбүрлі излучательных өтуілер алғашқы электромагниттік толқын күшейіп энергиясы есебінен кванта еріксіз сәуле шығару, ұқсас осы бастапқы толқын жиілігі, фазасы, таралу бағыты мен сипатына байланысты поляризация. Дәл бұл функция, еріксіз сәуле бар негізгі қалаушы мәні КЭ, пайдалануға мүмкіндік беретін мұндай сәуле үшін күшейту және генерациялау электромагниттік толқындар. Когерентное күшейту электромагниттік толқындар болуы мүмкін жағдайда ғана, қашан саны қозғалған электрондардың (населенность жоғары энергетикалық деңгейдегі) асатын саны невозбужденных (населенность төменгі деңгейдегі). Заттағы тұрған жағдайында термодинамикалық тепе-теңдік, бұл шарт орындалмайды: бөлуге сәйкес Больцман населенность жоғарғы энергетикалық деңгейдегі әрқашан кем, және төменгі, және, демек, сіңіру басым үстінде амалсыз сәуле, нәтижесінде иран арқылы зат алғашқы толқыны ослабляется. Үшін зат усиливало распространяющуюся онда электромагниттік толқынын қажет, оны қозған күйіне, онда ең болмағанда екі деңгейін населенность жоғары болды қарағанда төмен. Мұндай жай-күйі деп аталады жай-күйіне байланысты инверсией населенности заттағы болып табылады предположенным қазіргі заманғы ғалымдар Н. Ж. Басовым және А. М. Прохоровым 1955 Әдісімен «үш деңгейлі». Бұл әдістің мәні мынада: электрондар, энергетикалық спектрінде бар 3 энергетикалық деңгейдегі x1, x2, x3, ауыстырылады қозған күйіне әсерінен қуатты қосалқы сәулелену — тартып шағару. Кезде жеткілікті қарқындылықтағы тартып шағару ауысуы электрондардың деңгейінен x1 арналған x3 дейін деп аталатын қанықтыру, қашан населенность осы деңгейдегі айналады бірдей. Бұл ретте бір жұп деңгейдегі x1, x2 немесе x2, x3 болады инверсия населенностей. Басқа да әдістерін құру инверсия населенности: сұрыптау молекулалардың » молекулалық және атомдық шоқтарда коронды электр немесе магнит өрісінде; инжекция тепе-теңдіксіз заряд тасушылардың электрондық-дырочный көшуді жүзеге асыру; неупругих соударение атомдар газдар қоспасы; химиялық қозғау және т. б.

Генерация электромагниттік толқындардың аспаптары КЭ көмегімен жүзеге асырылады белсенді ортаның помещенной » резонатор, атап айтқанда, лазер — оптикалық резонаторларды арқылы жүзеге асырылуда қажетті генерациялау үшін оң кері байланыс. Белсенді ортада сөзсіз орын спонтанды ауысулар электрондардың жоғарғы энергетикалық деңгейден төменгі, т. е. жүреді сәуле кванттардың. Егер резонатор орнатпақ жиілігін бұл сәулелену, онда ол, бірнеше рет отражаясь қабырғадан резонатора, үлгереді шақыруға индуцированное сәуле тағы бірнеше бөлшектер, олар, өз кезегінде, әсер етіп, белсенді ортаға шақырып, жаңа актілер индукцияланған сәулелену. Нәтижесінде, жеке спонтанды сәуле активті ортаның күшеюде есебінен мәжбүрлі өтуілер. Бұл ретте, алайда, энергия сәулелену резонаторе емес өсуі мүмкін беспредельно: әрбір сәуле шығару актісі жүреді көшумен бөлшектер неғұрлым төмен энергетикалық деңгейге әкеледі теңестіру населенностей және, демек, теңдікке сіңіру және еріксіз сәуле шығару әсері қанықтыру).

Тарихи анықтама
КЭ қалыптасты және дамыды ретінде дербес ғылым және техника саласы ХХ ғасырдың екінші жартысында. Қазақстан тарихы КЭ тығыз байланысты радиоспектроскопией, исследующей қасиеттері заттар көмегімен сайлау (резонансты) сіңіру радиотолқындардың СВЧ диапазоны. Дәл радиоспектроскопии идеясы туды, бұл құру арқылы инверсия населенностей энергетикалық деңгейдегі ортаға қол жеткізуге болады күшейту радиотолқындардың. Егер қандай да бір жүйе күшейтеді радиоизлучение болса, тиісті кері байланыс ол мүмкін және генерациялау бұл сәуле. Бірінші аспап КЭ — молекулалық генератор аммиаке құрылған 1955 ж. бір мезгілде КСРО (Басов пен Прохоров) және АҚШ (Ч. Таунс және т. б.), мәні бойынша, болып табылады радиоспектроскопом, ол, алайда, ұйымдастырылуы, сондықтан молекулалар аммиак емес, жұтып, радиациялық жатыр ма. Соңында 50-шы жылдары КСРО мен АҚШ малошумящие парамагнитные кванттық күшейткіштер, белсенді ортамен билеушілер парамагнитные кристалдар жүрген температурада сұйық гелий (4,2 К) және возбуждаемые қосалқы көзі СВЧ сәулелену. Осы жылдары кеңінен зерттелген құру мүмкіндігі аспаптарының КЭ оптикалық диапазондағы толқын ұзындықтары. 1960 жылы бірінші осындай аспап — жарық лазер құрылды. Кристалл рубин қозғалады импульсті ксеноновой шаммен жабдықталады. Кейінгі жылдары лазерлер арналған диэлектрлік кристалдардағы возбуждаемые сыртқы көзі оптикалық тартып шағару, кеңінен құрайды бір маңызды түрі лазерлер. Күшейту осындай лазерах есебінен жүзеге асырылады амалсыз өткелдерінде электрондық қабықшаларында иондар-активаторлар (хром кристалдардағы рубин, неодим шыныда және алюминий граната). 1960 құрылды (АҚШ) бірінші газ лазер қоспа атомдар неона және гелий, возбуждаемых электрлік разрядпен газ төмен қысымды. Маломощные гелий-неондық және қуатты лазерлер арналған CO2 болды ең көп таралған өкілдері тектес газ лазерлер, қамтитын кең спектрлік диапазоны — терең ультракүлгін (0,12 мкм) дейін, инфрақызыл, смыкающегося с субмиллиметровым (1 нм). 1959 ж. Басов қызметкерлерімен теориялық обосновали құру мүмкіндігін жартылай өткізгіш лазер; осындай алғашқы лазерлер құрылды, 1962 – 63 жылдары (КСРО және АҚШ).

Қолдану КЭ
Аспаптар КЭ бар бірқатар өзіне тән ерекшеліктерін, отличающих оларды электрондық аспаптардың басқа да түрлері. Мысалы, молекулалық генераторлар ӨЖЖ диапазонының ие тек жоғары тұрақтылығымен тербеліс жиілігін ~10-13 (мысалы, сағаттар негізінде мұндай генератор «қойдық» 3 секунд үшін 1 млн. жыл). Кванттық парамагнитные күшейткіштер СВЧ бар рекордтық төмен деңгейі, өзіндік шулар (жоғары емес 10-Қосымша) салыстырғанда күшейткіштерімен басқа типтегі сондықтан да қолданылады құрылғыларда радиоастрономии жүйелерінде, алыс ғарыштық байланыс. Негізінде лазерлердің пайда болған жаңа ғылым мен техника саласындағы: сызықты емес оптика, лазерлік химия, лазерлік технология, голография, лазерлік медицина, лазерлік интерферометрия және т. б. бағытталған Қуатты лазерлік шоқ, сфокусированный бетінде кез-келген заттар, қабілетті расплавить және испарить. Бұл құбылыс негізі көптеген технологиялық қолдану лазерлер.

Лазер сәулесін қызмет етеді таптырмайтын құрал интерферометрических өлшеу жоғары дәлдікпен шамамен салыстырмалы өлшемдері атомдар мен молекулалардың. Қабілеті белсенді ортаның кейбір лазерді толтыруды энергиясы қозу, содан кейін таратуы оның түрінде қысқа (10-7 –10-9) импульс с недостижимой ең қуаты (109 -1010 Вт) негізіне лазерлік импульстік орындары мен дальнометрии. Өте жиілігі үнемі өте жоғары лазерлік сәуле (шамамен 4 тәртіпті қарағанда төмен СВЧ сәулелену кезінде салыстырмалы диаметрах антенналық жүйелер) мүмкін етеді, оны беруге орасан зор қашықтыққа, недостижимые үшін радиолокация. Инжекционные ПП лазерлер тікелей бейнелеу қызметтерін электр тогы когерентное оптикалық сәулелену болып табылады ең миниатюрными аспаптарымен КЭ, олардың негізінде дамиды мұндай маңызды бағыттары электроника, оптоэлектроника жүйелері, ақпаратты жазу және оқу. Лазерлер белсенді жерін басып технологиясын қазіргі заманғы микроэлектроника (процестер келтіру резисторларды, бақылау микросхемалар, скрайбирлеуге және күйдіру кремний пластиналарын, фотолитография және т. б.). Лазерлер алды қолдану және әскери іс. Аспаптар өндірісі КЭ өнеркәсібі дамыған елдерде оформилось ірі өнеркәсіп саласы.

Электр молекулалардың құрылысы

Ериді қайнатылған тұз суда. Шықса, бұл ерітінді — тамаша өткізгіш ток. Қатаң іс-тәжірибемен екендігін дәлелдеуге болатын электр тогы білдіреді ағыны теріс зарядталған атомдар хлор, қозғалатын бір жаққа, ағыны оң зарядталған атомдар натрий, қозғалатын қарама-қарсы. Сондықтан еріту кезінде атомдар натрий және хлор, сондай-ақ құрайды крепко байланысты екі атомдар.

Кейін моделі атомның орнатылған, ол анық, бұл хлор анион білдіреді атом хлор «артық» электрондық. Керісінше, катиону натрий жетіспейді бір электрона.

Осыдан қорытынды жасауға болады, бұл және қатты дене тұрады иондар, атомдар. Бұл дәлелденеді көптеген тәжірибелермен, сипаттамада болатын, біз мұнымен тоқтап қалған жоқ.

Ал жұп хлорлы натрий? Және жұптасып біз табамыз молекулалардың. Жұп хлорлы натрий тұрады иондар немесе әр түрлі өте тұрақсыз топтарының иондары. Туралы молекулах иондық қосылыстар айтуға болады тек химиялық мағынада.

Ионды қосылыстарды міндетті түрде суда еруі. Мұндай ерітінділер, классикалық өкілдері болып табылатын қарапайым металл тұздары сияқты хлорлы натрий бар жақсы өткізгішті және сондықтан деп аталады күшті электролиттер.

Сынып молекулалық кристалдар өте кең. Бұл кристалда көмірқышқыл газының (CO2), атом көміртек өте жақын көміртегі көрші. Барлық қалған жағдайларда, құрылымын зерттей отырып молекулярлық кристалл, біз бірден көріп отырмыз, бұл мүмкіндігі бар сынған кристалл арналған тығыз орналасқан атомдар тобының.

Рет олар тығыз орналасқан, бұл байланысты үлкен күшімен. Ол солай да. Былайша айтқанда, күшін байланыстыратын бұл атомдар тиесілі молекуласындағы бір, жүз есе артық күштері арасындағы қолданыстағы атомдарымен көршілес молекулалардың.

Сонымен қатар тұрады внутримолекулярная байланыс? Жеткілікті айқын көріністері туралы притяжении электрлік зарядталған иондарын операторлары орындалмайды. Яғни, бұл оттегінің, азоттың, сутегінің, салынған келген бірдей атомдар. Мүмкін емес деп болжауға бір жоғалтады, ал екіншісі сатып алатын электрон. С какой стати электрон тиіс предпочесть болуына шамамен бір екі бірдей атомдар.

Түсініктеме мәнін внутримолекулярной байланыс келді тек бірге кванттық механикой. Сонымен, энергия кез-келген жүйе квантуется, бір деңгейде энергия болуы мүмкін екі электрона бірге қарсы бағытталған олардан кейін тұрады. Негізгі жорамалдарды кванттық механиканың туындамаса бір қызықты тергеу. Көрсетіледі (бұл гипотеза, қатаң математикалық тұжырым, біз келтіреміз, оның күрделілігі), бұл ең төмен мәні энергия, ол мүмкін қабылдау электрон, өлшемімен анықталады облысының, соның ішінде, ол қозғалады. Көбірек, бұл өлшемдері, энергия бұл «нөлдік» деңгейіне төмен.

Енді болды деп елестетіп көрейікші, ол екі сутегі атомы жақындап келеді, бір-біріне. Егер олар біріктіріледі бір жүйесіне болса, онда пәтер үшін әрбір электрона болады шамамен екі есе артық. Бір пәтерде мүмкін, бейбіт ужиться екі электрона бірге қарсы бағытталған олардан кейін тұрады. Демек, мұндай некесіз тұру тиімді. Облысы өмір сүру үшін екі электрондардың өсті. Демек, жиынтық энергия жүйесінің біріктірілгеннен кейін екі атомдар бір тұтас төмендеген. Ал, бұл кез-келген жүйесі, егер бар болса, ұмтылады көшу жағдайы наинизшей энергиясымен, бізге керемет белгілі. Бұл өте себеппен ұсынған » сам себе шар қатпарланбайтын дөңестен.

Сонымен, білім химиялық байланыс білдіреді обобществление электрондар. Бар біраз саны электрондар (оларды ішкі деп атайды), олар айнала шамамен ядролардың атомдар, бірақ кейбір электрондар (оларды атайды сыртқы) қамтиды өзінің қозғалысы, кем дегенде, бір-екі жақын орналасқан атомдар, ал онда мен саяхаттап жүреді барлық атомам молекулалар.

Зат салынған келген молекулалардың болады, оның электрлік қасиеттері. Ерітінді мұндай заттар емес ток өткізеді. Молекулалар емес металеместер, ал тұтас молекула электрлік нейтральна. «Сұйықтардағы және жұппен молекулалар өз құрылымын сақтайды — барлық топ атомдар қозғалады бір бүтін ретінде, перемещается үдемелі, айналады. Атомдар тиесілі бір молекуласындағы мүмкін ғана өзгертілуі өз ережелерін тепе-теңдік.

Бейтарап молекуласы емес өз мойнына алады электрлік заряд, бірақ асықпау шығарумен, мұндай молекуласы емес, жасайды электр өрісі. Егер молекула несимметрична, онда ауырлық орталықтары, оның оң және теріс зарядтардың сөзсіз сәйкес келуі. Интуитивті анық совпадение ауырлық орталығы зарядтарды екеуінің де белгілері болуы керек мұндай молекулах, оттегі немесе азот тұрған екі бірдей атомдар. Сондай-ақ, тексеру қиын емес, бұл молекуласындағы сияқты, мысалы, молекуласы, тұншықтырғыш улы газ СО, бұл орталықтар мүмкін шегерілген бір біріне қатысты досы. Егер мұндай ығысуы бар болса, про молекула бар дейді: ол ие дипольным сәті.

Термин бар шығу тегі мынадай: «дипольная» молекуласы, өзін жүйе ретінде екі нүктелік зарядтың (бір нүкте — центр тяжести теріс, ал екіншісі — ауырлық орталығы оң заряд). Диполь көлемімен сипатталады заряд және «иық» диполя, яғни орталықтары арасындағы қашықтық.

Несимметричная молекуласы бар электр дипольным сәті, ал тұрақты болуы (немесе, айтып, қатаң) дипольного сәттен қиындықсыз дәлелденеді тәжірибесі.