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DESCOBERTAS CIENTÍFICAS MAIS IMPORTANTES
Laser. História e essência da descoberta científica
Diretório / As descobertas científicas mais importantes A palavra "laser" é formada a partir das letras iniciais de uma longa frase em inglês, que significa literalmente "amplificação da luz por emissão estimulada". “Os cientistas há muito prestam atenção ao fenômeno da emissão espontânea de luz pelos átomos”, escreve M.M. Koltun no livro “The World of Physics”, “ocorrendo devido ao fato de que um elétron excitado de alguma forma retorna das camadas superiores de elétrons do átomo para os inferiores. Não é de admirar o fenômeno A luminescência química, biológica e leve causada por tais transições há muito atrai pesquisadores por sua beleza e incomum. Mas a luz luminescente é muito fraca e dispersa, não pode atingir a Lua .. . Cada átomo durante a luminescência emite sua própria luz em momentos diferentes, não coordenados com os átomos vizinhos. Como resultado, a radiação caótica do flare aparece. Os átomos não têm condutor! Em 1917 ano Albert Einstein em um dos artigos, ele teoricamente mostrou que a radiação eletromagnética externa permitiria combinar os flashes de radiação de átomos individuais entre si. Pode fazer com que os elétrons de diferentes átomos voem simultaneamente para níveis excitados igualmente altos. Não é difícil que a mesma radiação desempenhe o papel de gatilho para um "tiro de luz": dirigida a um cristal, pode causar o retorno simultâneo de várias dezenas de milhares de elétrons excitados às suas órbitas originais de uma só vez, o que ser acompanhado por um poderoso flash de luz brilhante, luz de quase o mesmo comprimento de onda, ou, como dizem os físicos, luz monocromática. O trabalho de Einstein foi quase esquecido pelos físicos: a pesquisa sobre a estrutura do átomo era então muito mais ocupada por todos. Em 1939, um jovem cientista soviético, agora professor e membro titular da Academia de Ciências Pedagógicas V.A. Fabrikant voltou ao conceito de emissão estimulada introduzido por Einstein na física. A pesquisa de Valentin Alexandrovich Fabrikant estabeleceu uma base sólida para a criação de um laser. Mais alguns anos de pesquisa intensiva em um ambiente calmo e pacífico, e o laser teria sido criado. "Mas isso só aconteceu nos anos cinquenta graças ao trabalho criativo dos cientistas soviéticos Prokhorov, Basov e o americano Charles Hard Towns (1915). Alexander Mikhailovich Prokhorov (1916-2001) nasceu em Atorton (Austrália) na família de um trabalhador revolucionário que fugiu para a Austrália em 1911 do exílio na Sibéria. Após a Grande Revolução Socialista de Outubro, a família Prokhorov retornou à sua terra natal em 1923 e depois de algum tempo se estabeleceu em Leningrado. Em 1934, Alexander se formou no ensino médio aqui com uma medalha de ouro. Após a escola, Prokhorov entrou no Departamento de Física da Universidade Estadual de Leningrado (LGU), graduando-se em 1939 com honras. Então ele entrou na escola de pós-graduação do Instituto de Física em homenagem P.N. Lebedev Academia de Ciências da URSS. Aqui, o jovem cientista começou a estudar os processos de propagação das ondas de rádio ao longo da superfície da Terra. Ele propôs um método original para estudar a ionosfera usando o método de interferência de rádio. Desde o início da Segunda Guerra Mundial, Prokhorov estava nas fileiras do exército no campo. Lutou na infantaria, na inteligência, recebeu condecorações militares, foi ferido duas vezes. Desmobilizado em 1944, após um segundo ferimento grave, voltou ao seu trabalho científico interrompido pela guerra na FIAN. Prokhorov se envolveu em pesquisas relevantes na época sobre a teoria das oscilações não lineares, métodos para estabilizar a frequência de geradores de rádio. Esses trabalhos formaram a base de sua tese de doutorado. Para a criação da teoria da estabilização da frequência de um gerador de tubo em 1948, ele foi premiado com o acadêmico L.I. Mandelstam. Em 1948, Alexander Mikhailovich iniciou pesquisas sobre a natureza e o caráter da radiação eletromagnética emitida em aceleradores de partículas carregadas cíclicas. Em muito pouco tempo, ele consegue conduzir uma grande série de experimentos bem-sucedidos para estudar as propriedades coerentes da radiação magneto-bremsstrahlung de elétrons relativísticos movendo-se em um campo magnético uniforme em uma radiação síncrotron - síncrotron. Como resultado da pesquisa, Prokhorov provou que a radiação síncrotron pode ser usada como fonte de radiação coerente na faixa de comprimento de onda do centímetro, determinou as principais características e o nível de potência da fonte e propôs um método para determinar o tamanho dos feixes de elétrons. Este trabalho clássico abriu toda uma avenida de pesquisa. Seus resultados foram formalizados na forma de uma dissertação de doutorado, defendida com sucesso por Alexander Mikhailovich em 1951. Em 1950, Prokhorov começou a trabalhar em uma direção completamente nova na física - espectroscopia de rádio, afastando-se gradualmente do trabalho no campo da física do acelerador. Na espectroscopia, uma nova faixa de comprimentos de onda, centímetros e milímetros, foi dominada naquela época. Os espectros rotacionais e alguns espectros vibracionais das moléculas caíram nesta faixa. Isso abriu possibilidades completamente novas no estudo de questões fundamentais da estrutura das moléculas. A rica experiência experimental e teórica de Prokhorov no campo das teorias de oscilações, engenharia de rádio e física de rádio foi a mais adequada para dominar esse novo campo. Com o apoio do Acadêmico D.V. Skobeltsyn, no menor tempo possível, juntamente com um grupo de jovens funcionários do laboratório de oscilações, Prokhorov criou uma escola doméstica de espectroscopia de rádio, que rapidamente conquistou posições de liderança na ciência mundial. Um desses jovens funcionários era Nikolai Gennadievich Basov, graduado do Instituto de Física de Engenharia de Moscou. Basov nasceu em 14 de dezembro de 1922, na cidade de Usman, província de Voronezh (agora região de Lipetsk) na família de Gennady Fedorovich Basov, mais tarde professor da Universidade de Voronezh. A formatura de Basov na escola coincidiu com o início da Grande Guerra Patriótica. Em 1941, Nikolai foi convocado para o exército. Ele foi enviado para a Academia Médica Militar de Kuibyshev. Um ano depois, ele foi transferido para a escola de medicina militar de Kiev. Depois de se formar na faculdade em 1943, Basov foi enviado para um batalhão de defesa química. Do início de 1945 até a desmobilização, no final daquele ano, esteve nas fileiras do exército. Em 1946 Basov entrou no Instituto Mecânico de Moscou. Depois de se formar no instituto em 1950, ele entrou em sua escola de pós-graduação no Departamento de Física Teórica. Desde 1949, Nikolai Gennadievich trabalha no Instituto de Física da Academia de Ciências da URSS. Seu primeiro cargo foi engenheiro no Laboratório de Oscilação chefiado pelo acadêmico M.A. Leontovich. Então ele se torna um pesquisador júnior no mesmo laboratório. Naqueles anos, um grupo de jovens físicos liderados por Prokhorov iniciou pesquisas em uma nova direção científica - a espectroscopia molecular. Ao mesmo tempo, uma colaboração frutífera entre Basov e Prokhorov começou, o que levou a um trabalho fundamental no campo da eletrônica quântica. Em 1952, Prokhorov e Basov apresentaram os primeiros resultados de uma análise teórica dos efeitos da amplificação e geração de radiação eletromagnética por sistemas quânticos e, posteriormente, investigaram a física desses processos. Tendo desenvolvido vários espectroscópios de rádio de um novo tipo, o laboratório de Prokhorov começou a obter informações espectroscópicas muito ricas sobre a determinação de estruturas, momentos de dipolo e constantes de força de moléculas, momentos de núcleos, etc. Analisando a precisão limitante dos padrões de frequência molecular de micro-ondas, que é determinada principalmente pela largura da linha de absorção molecular, Prokhorov e Basov sugeriram usar o efeito de um estreitamento acentuado da linha em feixes moleculares. “No entanto, a transição para feixes moleculares”, escreve I.G. Bebikh e V.S. transições induzidas entre dois estados de energia de moléculas com a absorção de um quantum durante a transição do nível inferior para o superior (absorção induzida e estimulada) e com a emissão de um quantum durante a transição do nível superior para baixo (emissão induzida e estimulada). Portanto, é proporcional à diferença entre as populações da energia inferior e superior Para dois níveis separados por uma distância de energia igual a um quantum de radiação de micro-ondas , essa diferença de população é apenas uma pequena parte da densidade total de partículas devido à população térmica dos níveis no estado de equilíbrio em temperaturas normais de acordo com a distribuição de Boltzmann. Foi então que surgiu a ideia de que, alterando artificialmente as populações dos níveis em um feixe molecular, ou seja, criando condições de não equilíbrio (ou, por assim dizer, a própria "temperatura", que determina a população desses níveis), pode-se alterar significativamente a intensidade da linha de absorção. Se o número de moléculas no nível de trabalho superior for drasticamente reduzido separando essas partículas do feixe, por exemplo, usando um campo elétrico não homogêneo, a intensidade da linha de absorção aumenta. Uma temperatura ultra baixa é criada no feixe, por assim dizer. Se, no entanto, as moléculas forem removidas do nível de trabalho inferior dessa maneira, o sistema sofrerá amplificação devido à emissão estimulada. Se o ganho exceder as perdas, então o sistema é auto-excitado em uma frequência que ainda é determinada pela frequência da transição quântica dada da molécula. No feixe molecular, por outro lado, será realizada a inversão populacional, ou seja, será criada uma espécie de temperatura negativa.” Foi assim que surgiu a ideia de um gerador molecular, que foi delineado na conhecida série de trabalhos conjuntos clássicos de AM Prokhorov e N.G. Basov 1952-1955. A partir daqui começou o desenvolvimento da eletrônica quântica - uma das áreas mais frutíferas e de desenvolvimento mais rápido da ciência e tecnologia modernas. Em essência, o passo principal e fundamental na criação de geradores quânticos foi preparar um sistema quântico radiante de não equilíbrio com inversão de população (com temperatura negativa) e colocá-lo em um sistema oscilatório com feedback positivo - um ressonador de cavidade. Poderia e deveria ter sido feito por cientistas que combinaram a experiência de estudar sistemas mecânicos quânticos e cultura física de rádio. A extensão adicional desses princípios para as faixas ópticas e outras era inevitável. Prokhorov e Basov propuseram um novo método para obter a inversão populacional em sistemas de três níveis (e mais complexos) saturando uma das transições sob a ação de uma poderosa radiação auxiliar. Este é o chamado "método de três níveis", mais tarde também chamado de método de bombeamento óptico. Foi ele quem permitiu em 1958 Fabry-Perot formar uma base científica real para o desenvolvimento de outras gamas. Isso foi usado com sucesso em 1960 por T. Meiman ao criar o primeiro laser de rubi. Enquanto ainda trabalhava em geradores moleculares, Basov teve a ideia da possibilidade de estender os princípios e métodos da radiofísica quântica para a faixa de frequência óptica. Desde 1957, ele procura maneiras de criar geradores quânticos ópticos - lasers. Em 1959, Basov, juntamente com B.M. Vulom e Yu.M. Popov preparou o trabalho "Geradores de semicondutores mecânicos quânticos e amplificadores de oscilações eletromagnéticas". Foi proposto usar a população inversa em semicondutores, obtida em um campo elétrico pulsado, para criar um laser. Esta proposta, juntamente com as propostas de cientistas dos EUA sobre o uso de cristais de rubi (C. Towns, A. Shavdov) e misturas de gases (A. Javan), marcou o início do desenvolvimento sistemático da faixa de frequência óptica por quantum eletrônicos. Em 1964, Basov, Prokhorov e Towns (EUA) tornaram-se vencedores do Prêmio Nobel, que foram premiados por pesquisas fundamentais no campo da eletrônica quântica, que levaram à criação de masers e lasers. Autor: Samin D. K.
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