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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
Laser. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti La parola "laser" è formata dalle lettere iniziali di una lunga frase in inglese, che letteralmente significa "amplificazione della luce mediante emissione stimolata". "Gli scienziati hanno prestato a lungo attenzione al fenomeno dell'emissione spontanea di luce da parte degli atomi", scrive M.M. Koltun nel libro "Il mondo della fisica", "che si verifica a causa del fatto che un elettrone eccitato in qualche modo ritorna dai gusci elettronici superiori dell'atomo a quelli inferiori. Non c'è da stupirsi del fenomeno. La luminescenza chimica, biologica e luminosa causata da tali transizioni ha attratto a lungo i ricercatori con la sua bellezza e insolita. Ma la luce luminescente è troppo debole e dispersa, non può raggiungere la Luna. . Ogni atomo durante la luminescenza emette la propria luce in momenti diversi, non coordinati con gli atomi vicini. Di conseguenza, appare la radiazione caotica del bagliore. Gli atomi non hanno conduttore! Nell'anno 1917 Albert Einstein in uno degli articoli ha teoricamente dimostrato che la radiazione elettromagnetica esterna consentirebbe di far corrispondere tra loro i lampi di radiazione dei singoli atomi. Può far volare contemporaneamente gli elettroni di atomi diversi a livelli eccitati ugualmente alti. Non è difficile che la stessa radiazione svolga il ruolo di innesco per un "colpo di luce": diretta verso un cristallo, può causare il ritorno simultaneo di diverse decine di migliaia di elettroni eccitati alle loro orbite originali contemporaneamente, il che essere accompagnato da un potente lampo di luce accecante, luce quasi della stessa lunghezza d'onda, o, come dicono i fisici, luce monocromatica. Il lavoro di Einstein fu quasi dimenticato dai fisici: la ricerca sulla struttura dell'atomo era allora molto più interessante per tutti. Nel 1939, un giovane scienziato sovietico, ora professore e membro a pieno titolo dell'Accademia di scienze pedagogiche V.A. Fabrikant è tornato al concetto di emissione stimolata introdotto da Einstein in fisica. La ricerca di Valentin Alexandrovich Fabrikant ha gettato solide basi per la creazione di un laser. Ancora qualche anno di intensa ricerca in un ambiente calmo e pacifico, e il laser sarebbe stato creato. "Ma questo è successo solo negli anni Cinquanta grazie al lavoro creativo degli scienziati sovietici Prokhorov, Basov e dell'americano Charles Hard Townes (1915) . Alexander Mikhailovich Prokhorov (1916-2001) è nato ad Atorton (Australia) nella famiglia di un rivoluzionario lavoratore fuggito in Australia nel 1911 dall'esilio siberiano. Dopo la Grande Rivoluzione Socialista d'Ottobre, la famiglia Prokhorov tornò in patria nel 1923 e dopo qualche tempo si stabilì a Leningrado. Nel 1934, Alexander si diplomò al liceo qui con una medaglia d'oro. Dopo la scuola, Prokhorov è entrato nel Dipartimento di Fisica dell'Università statale di Leningrado (LGU), laureandosi nel 1939 con lode. Quindi è entrato nella scuola di specializzazione dell'Istituto di Fisica che porta il suo nome PN Lebedev Accademia delle scienze dell'URSS. Qui il giovane scienziato iniziò a studiare i processi di propagazione delle onde radio lungo la superficie terrestre. Ha proposto un metodo originale per studiare la ionosfera utilizzando il metodo dell'interferenza radio. Fin dall'inizio della seconda guerra mondiale, Prokhorov era nei ranghi dell'esercito sul campo. Ha combattuto nella fanteria, nell'intelligence, ha ricevuto riconoscimenti militari, è stato ferito due volte. Smobilitato nel 1944, dopo una seconda grave ferita, tornò al suo lavoro scientifico interrotto dalla guerra al FIAN. Prokhorov si impegnò in ricerche rilevanti in quel momento sulla teoria delle oscillazioni non lineari, metodi per stabilizzare la frequenza dei generatori radio. Questi lavori hanno costituito la base della sua tesi di dottorato. Per la creazione della teoria della stabilizzazione della frequenza di un generatore di tubi nel 1948, è stato insignito dell'Accademico L.I. Mandelstam. Nel 1948, Alexander Mikhailovich iniziò la ricerca sulla natura e il carattere della radiazione elettromagnetica emessa negli acceleratori di particelle cariche cicliche. In brevissimo tempo, riesce a condurre una vasta serie di esperimenti di successo per studiare le proprietà coerenti della radiazione magneto-bremsstrahlung degli elettroni relativistici che si muovono in un campo magnetico uniforme in una radiazione di sincrotrone - sincrotrone. Come risultato della ricerca, Prokhorov ha dimostrato che la radiazione di sincrotrone può essere utilizzata come fonte di radiazione coerente nell'intervallo di lunghezze d'onda centimetriche, ha determinato le caratteristiche principali e il livello di potenza della sorgente e ha proposto un metodo per determinare la dimensione dei fasci di elettroni. Questo lavoro classico ha aperto un'intera strada di ricerca. I suoi risultati furono formalizzati sotto forma di una tesi di dottorato, difesa con successo da Alexander Mikhailovich nel 1951. Nel 1950, Prokhorov iniziò a lavorare in una direzione completamente nuova nella fisica: la spettroscopia radio, allontanandosi gradualmente dal lavoro nel campo della fisica degli acceleratori. A quel tempo, una nuova gamma di lunghezze d'onda, centimetri e millimetri, è stata padroneggiata nella spettroscopia. Gli spettri rotazionali e alcuni spettri vibrazionali delle molecole rientravano in questo intervallo. Ciò ha aperto possibilità completamente nuove nello studio di questioni fondamentali della struttura delle molecole. La ricca esperienza sperimentale e teorica di Prokhorov nel campo delle teorie delle oscillazioni, della radioingegneria e della radiofisica era la più adatta per padroneggiare questo nuovo campo. Con il supporto dell'Accademico D.V. Skobeltsyn, nel più breve tempo possibile, insieme a un gruppo di giovani dipendenti del laboratorio di oscillazioni, Prokhorov ha creato una scuola domestica di spettroscopia radio, che ha rapidamente guadagnato posizioni di primo piano nella scienza mondiale. Uno di questi giovani dipendenti era Nikolai Gennadievich Basov, laureato all'Istituto di fisica dell'ingegneria di Mosca. Basov è nato il 14 dicembre 1922 nella città di Usman, nella provincia di Voronezh (ora regione di Lipetsk) nella famiglia di Gennady Fedorovich Basov, poi professore all'Università di Voronezh. La fine della scuola Basov coincise con l'inizio della Grande Guerra Patriottica. Nel 1941 Nikolai fu arruolato nell'esercito. Fu mandato all'Accademia medica militare di Kuibyshev. Un anno dopo, fu trasferito alla scuola medica militare di Kiev. Dopo essersi diplomato al college nel 1943, Basov fu inviato a un battaglione di protezione chimica. Dall'inizio del 1945 fino alla smobilitazione, alla fine di quell'anno, fu nelle file dell'esercito. Nel 1946 Basov entrò nell'Istituto meccanico di Mosca. Dopo essersi diplomato all'istituto nel 1950, è entrato nella sua scuola di specializzazione presso il Dipartimento di Fisica Teorica. Dal 1949, Nikolai Gennadievich lavora presso l'Istituto di fisica dell'Accademia delle scienze dell'URSS. Il suo primo incarico fu quello di ingegnere presso il Laboratorio di Oscillazione guidato dall'Accademico M.A. Leontovich. Successivamente diventa ricercatore junior nello stesso laboratorio. In quegli anni, un gruppo di giovani fisici guidati da Prokhorov iniziò la ricerca in una nuova direzione scientifica: la spettroscopia molecolare. Allo stesso tempo iniziò una fruttuosa collaborazione tra Basov e Prokhorov, che portò a un lavoro fondamentale nel campo dell'elettronica quantistica. Nel 1952, Prokhorov e Basov presentarono i primi risultati di un'analisi teorica degli effetti dell'amplificazione e della generazione di radiazioni elettromagnetiche da parte dei sistemi quantistici, e successivamente studiarono la fisica di questi processi. Avendo sviluppato una serie di spettroscopi radio di un nuovo tipo, il laboratorio di Prokhorov iniziò a ottenere informazioni spettroscopiche molto ricche sulla determinazione di strutture, momenti di dipolo e costanti di forza di molecole, momenti di nuclei, ecc. Analizzando l'accuratezza limitante degli standard di frequenza molecolare delle microonde, che è determinata principalmente dalla larghezza della linea di assorbimento molecolare, Prokhorov e Basov hanno proposto di utilizzare l'effetto di un forte restringimento della linea nei fasci molecolari. "Tuttavia, la transizione ai fasci molecolari", scrivono I.G. Bebikh e V.S., induce transizioni tra due stati energetici delle molecole con l'assorbimento di un quanto durante la transizione dal livello inferiore a quello superiore (assorbimento indotto, stimolato) e con l'emissione di un quanto durante la transizione dal livello superiore verso il basso (emissione indotta, stimolata). Pertanto è proporzionale alla differenza tra le popolazioni dell'energia inferiore e superiore Per due livelli separati da una distanza energetica pari a un quanto di radiazione a microonde , questa differenza di popolazione è solo una piccola parte della densità totale delle particelle dovuta alla popolazione termica dei livelli nello stato di equilibrio a temperature ordinarie secondo la distribuzione di Boltzmann. Fu allora che venne proposta l'idea che modificando artificialmente le popolazioni dei livelli in un fascio molecolare, cioè creando condizioni di non equilibrio (o, per così dire, la propria "temperatura", che determina la popolazione di questi livelli), si può modificare significativamente l'intensità della linea di assorbimento. Se il numero di molecole al livello di lavoro superiore viene drasticamente ridotto separando tali particelle dal raggio, ad esempio utilizzando un campo elettrico disomogeneo, l'intensità della linea di assorbimento aumenta. Nel raggio, per così dire, si crea una temperatura bassissima. Se, tuttavia, le molecole vengono rimosse dal livello di lavoro inferiore in questo modo, il sistema subirà un'amplificazione dovuta all'emissione stimolata. Se il guadagno supera le perdite, il sistema si autoeccita a una frequenza che è ancora determinata dalla frequenza della data transizione quantistica della molecola. Nel fascio molecolare, invece, si procederà all'inversione della popolazione, ovvero si creerà una sorta di temperatura negativa”. È così che è apparsa l'idea di un generatore molecolare, che è stata delineata nel noto ciclo di opere congiunte classiche di AM Prokhorov e N.G. Basov 1952–1955. Da qui iniziò il suo sviluppo dell'elettronica quantistica, una delle aree più fruttuose e in rapido sviluppo della scienza e della tecnologia moderne. In sostanza, il passo principale e fondamentale nella creazione di generatori quantistici è stato quello di preparare un sistema quantistico radiante non in equilibrio con inversione di popolazione (con una temperatura negativa) e posizionarlo in un sistema oscillatorio con feedback positivo: un risonatore a cavità. Potrebbe e dovrebbe essere stato realizzato da scienziati che hanno combinato l'esperienza nello studio dei sistemi quantistici e della cultura radiofisica. Un'ulteriore estensione di questi principi alle gamme ottiche e ad altre gamme era inevitabile. Prokhorov e Basov hanno proposto un nuovo metodo per ottenere l'inversione della popolazione in sistemi a tre livelli (e più complessi) saturando una delle transizioni sotto l'azione di potenti radiazioni ausiliarie. Questo è il cosiddetto "metodo a tre livelli", in seguito chiamato anche metodo di pompaggio ottico. Fu lui che nel 1958 permise a Fabry-Perot di formare una vera base scientifica per lo sviluppo di altre gamme. Questo è stato utilizzato con successo nel 1960 da T. Meiman durante la creazione del primo laser a rubino. Mentre lavorava ancora sui generatori molecolari, Basov ebbe l'idea della possibilità di estendere i principi e i metodi della radiofisica quantistica alla gamma di frequenze ottiche. Dal 1957 è alla ricerca di modi per creare generatori quantistici ottici: i laser. Nel 1959 Basov, insieme a B.M. Vulom e Yu.M. Popov ha preparato il lavoro "Generatori di semiconduttori quantomeccanici e amplificatori di oscillazioni elettromagnetiche". È stato proposto di utilizzare la popolazione inversa nei semiconduttori, ottenuta in un campo elettrico pulsato, per creare un laser. Questa proposta, insieme alle proposte degli scienziati statunitensi sull'uso dei cristalli di rubino (C. Townes, A. Shavdov) e delle miscele di gas (A. Javan), ha segnato l'inizio dello sviluppo sistematico della gamma di frequenze ottiche da parte del quantum elettronica. Nel 1964 Basov, Prokhorov e Towns (USA) sono diventati vincitori del Premio Nobel, che è stato assegnato loro per la ricerca fondamentale nel campo dell'elettronica quantistica, che ha portato alla creazione di maser e laser. Autore: Samin D.K.
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