神通激光

第一节 光来自“小太阳系”

　　世界真奇妙：激光竟然有那么优异的品格，有那么高强的本领，广受青睐，处处建功。其实，自然界的事物都有其内在规律。凡事问一个为什么，刨根问底，查明机理，才能获得真知。那么，激光的天赋和才能是怎么来的呢？

　　人们经过长期的研究和实践，发现各种各样的发光现象都与光源内部原子的运动状态有关系。为了揭开发光现象的谜底，人们对原子的结构和运动状态做了大量的研究。原来，原子的结构，很像我们这个太阳系。我们知道，太阳系是由一个太阳和水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星9大行星组成的。太阳居于中心，9大行星分别在自己的轨道上环绕着太阳运行。原子的结构也是这样，它是由一个原子核和一些电子组成的，这些电子沿着一定的轨道，绕着原子核永不停止地旋转。其中，原子核带有正电荷，电子带有负电荷。不同元素的原子，核外电子的数目是不同的，但原子核所带的正电荷和所有的核外电子所带的负电荷总是恰好相等的，因此，整个原子呈中性。

　　原子结构最简单的是氢原子，它的核外只有一个电子。其它元素的原子结构就比较复杂了。例如，氦原子中有两个电子，硅原子中有14个电子，银原子中有47个电子，铀原子中有92个电子。

　　这里，我们以氢原子为例剖析一下原子内部的运动状态。氢原子的原子核带有一个电子电量的正电荷，原子核外那个电子带有一个电子电量的负电荷。一个电子电量是一个电子带有的电荷数量，是电荷的最小单位，数值为e=1.60×10——19库仑。原子核的正电荷与电子的负电荷数量相等，它们之间存在着静电吸引力。电子在静电吸引力的作用下，绕着原子核不停地运转着。

　　电子在绕原子核运动时有两种运动趋向：一是电子绕核转动时有离开核的趋向；二是电子受核的正电荷吸引力作用而有靠近核的趋向。当这两种作用达到相对平衡时，电子与原子核之间保持一定距离，也就是说，电子能够沿着一定的轨道而运动。电子绕着原子核转圈子运动，具有一定的能量，叫做动能；电子被原子核吸引着，保持在一定的轨道上，具有另一种能量，叫做位能，动能和位能之和就是原子的内能。当电子与核之间的距离保持不变时，原子的内能不会改变。如果受到某种外界的作用，电子与核之间的距离就会改变。电子运动的轨道离原子核越远，电子所具有的能量就越大，因而原子的内能也越大；后之，电子运动的轨道离原子核较近，电子所具有的能量也越小。在没有外界作用的情况下，一般来说，原子中的电子都尽可能沿着离原子核较近的一定轨道上运动。

　　电子绕着原子核运动的轨道的改变——电子与原子核之间的距离的改变，是不连续的，不能像电唱机针头在唱片上绕着电唱机轴运动那样连续变化。原子物理研究告诉我们：电子在原子中呈壳层分布。铀原子中的电子分布。图中，圆圈表示电子分布的壳层，黑点表示该壳层上的电子。原子中的电子只能在一个一个间隔开来的特定轨道上运动。这样，原子的内能也就成为一档一档分开的，因而不能连续地变化，也就是说，原子内能值的变化是一系列不连续的值。

　　我们把分成一档一档的原子内能值叫做原子的能级，可以用能级图来表示。图中，每一条横线代表一个能级，最低的能级E1叫做基级，代表的原子能量状态叫做基态，相当于电子在最小的轨道上运动。往上去的其他能级，如E2、E3等叫做激发能级，代表的原子能量状态叫做激发态，相当于电子在各个较大的轨道上运动。处于基态的原子受到外界的“剌激”，如受到光的照射，受到电子或原子的撞击，便获得了能量，于是上升到较高的能级去，原子的这种能态的变化过程叫做激发过程；反之，处于高能级的原子也可以释放出一部分能量，而从较高的能级下降到较低的能级，或降低到基级，原子的这种能态的变化过程叫做跃迁过程。在这两种过程中，原子所得到的能量，或原子所失去的能量，刚好等于两个能级之间的能量差。

　　我们在某一时刻观察某一种物质，并不是观察一个原子，而是数不清的大量原子构成的物质。在这一时刻里，一个原子自然是只能处于某个一定的能级状态，所观察的大量原子中的各个原子却可能处于不同的能级上，因此观察到的是大量的、处于不同能级的原子的总情况。如前面讲过的，我们拍摄一种原子光谱，比如氢光谱，可以观察到多条谱线。这表明，我们观察到的结果，反映的是大量的原子分别从不同能级辐射跃迁到其他能级的情况。光谱线的强弱反映出从相同的高能级辐射跃迁到低能级的原子数目的多少。从同一高能级辐射跃迁到低能级的原子数越多，即同一条谱线的发光原子数越多，这条光谱线就越亮。

　　对于气体来说，大量的同类气体原子在运动的过程中，会互相碰撞，交换能量。这样，有些原子就会被激发到高能级去，而另一些原子则处于低能级。气体分子间彼此能量交换通常表现为热运动能量，当达到热平衡的时候，在气体的单位体积内处于各个能级上的原子数目的比值是一定的，换句话说，当热平衡时，在单位体积内的同类气体原子在各个能级上是按照一定的统计规律分布的。具体说来就是，处于高能级的原子数比处于低能级的原子数少，而且，激发能级越高，处于这个能级上的原子数越少。这种原子分布状态，叫做原子的正常分布。