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DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS MÁS IMPORTANTES
Láser. Historia y esencia del descubrimiento científico.
Directorio / Los descubrimientos científicos más importantes. La palabra "láser" se forma a partir de las letras iniciales de una frase larga en inglés, que literalmente significa "amplificación de la luz por emisión estimulada". “Los científicos han prestado atención durante mucho tiempo al fenómeno de la emisión espontánea de luz por parte de los átomos”, escribe M.M. Koltun en el libro “World of Physics”, “que ocurre debido al hecho de que un electrón excitado de alguna manera regresa de las capas superiores de electrones. del átomo a los inferiores. No es de extrañar que el fenómeno de la luminiscencia química, biológica y de la luz causada por tales transiciones haya atraído durante mucho tiempo a los investigadores con su belleza e inusual. Pero la luz de la luminiscencia es demasiado débil y dispersa, no puede llegar a la Luna ... Cada átomo durante la luminiscencia emite su luz en momentos diferentes, no coordinados con los átomos vecinos. Como resultado, aparece una radiación caótica de bengalas. ¡Los átomos no tienen conductor! En el año 1917 Albert Einstein en uno de los artículos mostró teóricamente que la radiación electromagnética externa permitiría emparejar los destellos de radiación de los átomos individuales entre sí. Puede hacer que los electrones de diferentes átomos vuelen simultáneamente a niveles de excitación igualmente altos. No es difícil que la misma radiación desempeñe el papel de disparador de un "disparo de luz": dirigida a un cristal, puede provocar el retorno simultáneo de varias decenas de miles de electrones excitados a sus órbitas originales a la vez, lo que estar acompañado por un poderoso destello de luz cegadoramente brillante, luz de casi la misma longitud de onda o, como dicen los físicos, luz monocromática. El trabajo de Einstein fue casi olvidado por los físicos: la investigación sobre la estructura del átomo era entonces mucho más interesante para todos. En 1939, un joven científico soviético, ahora profesor y miembro de pleno derecho de la Academia de Ciencias Pedagógicas V.A. Fabrikant volvió al concepto de emisión estimulada introducido por Einstein en la física. La investigación de Valentin Alexandrovich Fabrikant sentó una base sólida para la creación de un láser. Unos años más de investigación intensiva en un ambiente tranquilo y pacífico, y el láser habría sido creado ". Pero esto sucedió solo en los años cincuenta gracias al trabajo creativo de los científicos soviéticos Prokhorov, Basov y el estadounidense Charles Hard Townes (1915) . Alexander Mikhailovich Prokhorov (1916-2001) nació en Atorton (Australia) en la familia de un trabajador revolucionario que huyó a Australia en 1911 del exilio siberiano. Después de la Gran Revolución Socialista de Octubre, la familia Prokhorov regresó a su tierra natal en 1923 y después de un tiempo se estableció en Leningrado. En 1934, Alexander se graduó de la escuela secundaria aquí con una medalla de oro. Después de la escuela, Prokhorov ingresó al Departamento de Física de la Universidad Estatal de Leningrado (LGU), y se graduó en 1939 con honores. Luego ingresó a la escuela de posgrado del Instituto de Física que lleva el nombre de PN Lébedev Academia de Ciencias de la URSS. Aquí, el joven científico comenzó a estudiar los procesos de propagación de ondas de radio a lo largo de la superficie terrestre. Propuso un método original para estudiar la ionosfera utilizando el método de interferencia de radio. Desde el comienzo de la Segunda Guerra Mundial, Prokhorov estuvo en las filas del ejército en el campo. Luchó en la infantería, en la inteligencia, recibió condecoraciones militares, fue herido dos veces. Desmovilizado en 1944, tras una segunda herida grave, volvió a su labor científica interrumpida por la guerra en la FIAN. Prokhorov participó en investigaciones relevantes en ese momento sobre la teoría de las oscilaciones no lineales, métodos para estabilizar la frecuencia de los generadores de radio. Estos trabajos formaron la base de su tesis doctoral. Por la creación de la teoría de la estabilización de frecuencia de un generador de tubo en 1948, fue galardonado con el académico L.I. Mandelstam. En 1948, Alexander Mikhailovich comenzó a estudiar la naturaleza y la naturaleza de la radiación electromagnética emitida en los aceleradores de partículas con carga cíclica. En muy poco tiempo, logra realizar una gran serie de experimentos exitosos para estudiar las propiedades coherentes de la radiación magneto-bremsstrahlung de electrones relativistas que se mueven en un campo magnético uniforme en un sincrotrón: radiación sincrotrón. Como resultado de la investigación, Prokhorov demostró que la radiación de sincrotrón se puede utilizar como fuente de radiación coherente en el rango de longitud de onda centimétrica, determinó las características principales y el nivel de potencia de la fuente y propuso un método para determinar el tamaño de los racimos de electrones. Esta obra clásica abrió toda una vía de investigación. Sus resultados se formalizaron en forma de tesis doctoral, defendida con éxito por Alexander Mikhailovich en 1951. En 1950, Prokhorov comenzó a trabajar en una dirección completamente nueva en física: la espectroscopia de radio, alejándose gradualmente del trabajo en el campo de la física de aceleradores. En ese momento, se dominó en espectroscopia una nueva gama de longitudes de onda, centimétricas y milimétricas. Los espectros de rotación y algunos de vibración de las moléculas caían dentro de este rango. Esto abrió posibilidades completamente nuevas en el estudio de cuestiones fundamentales de la estructura de las moléculas. La rica experiencia experimental y teórica de Prokhorov en el campo de las teorías de las oscilaciones, la ingeniería de radio y la radiofísica fue la más adecuada para dominar este nuevo campo. Con el apoyo del académico D.V. Skobeltsyn, en el menor tiempo posible, junto con un grupo de jóvenes empleados del laboratorio de vibraciones, Prokhorov creó una escuela doméstica de espectroscopia de radio, que rápidamente ganó posiciones de liderazgo en la ciencia mundial. Uno de estos jóvenes empleados fue Nikolai Gennadievich Basov, graduado del Instituto de Ingeniería Física de Moscú. Basov nació el 14 de diciembre de 1922 en la ciudad de Usman, provincia de Voronezh (ahora la región de Lipetsk) en la familia de Gennady Fedorovich Basov, más tarde profesor de la Universidad de Voronezh. El final de la escuela Basov coincidió con el comienzo de la Gran Guerra Patria. En 1941, Nikolai fue reclutado por el ejército. Fue enviado a la Academia Médica Militar Kuibyshev. Un año después, fue transferido a la escuela de medicina militar de Kiev. Después de graduarse de la universidad en 1943, Basov fue enviado a un batallón de protección química. Desde principios de 1945 hasta la desmovilización, a fines de ese año, estuvo en las filas del ejército. En 1946, Basov ingresó al Instituto Mecánico de Moscú. Después de graduarse del instituto en 1950, ingresó a su escuela de posgrado en el Departamento de Física Teórica. Desde 1949, Nikolai Gennadievich ha estado trabajando en el Instituto de Física de la Academia de Ciencias de la URSS. Su primer puesto fue como ingeniero en el Laboratorio de Oscilación dirigido por el Académico M.A. Leontovich. Luego se convierte en investigador junior en el mismo laboratorio. En esos años, un grupo de jóvenes físicos dirigidos por Prokhorov comenzó a investigar en una nueva dirección científica: la espectroscopia molecular. Al mismo tiempo, comenzó una fructífera colaboración entre Basov y Prokhorov, que condujo a un trabajo fundamental en el campo de la electrónica cuántica. En 1952, Prokhorov y Basov presentaron los primeros resultados de un análisis teórico de los efectos de amplificación y generación de radiación electromagnética por sistemas cuánticos, y posteriormente investigaron la física de estos procesos. Habiendo desarrollado una serie de espectroscopios de radio de un nuevo tipo, el laboratorio de Prokhorov comenzó a obtener información espectroscópica muy rica sobre la determinación de estructuras, momentos dipolares y constantes de fuerza de moléculas, momentos de núcleos, etc. Al analizar la precisión límite de los estándares de frecuencia molecular de microondas, que está determinada principalmente por el ancho de la línea de absorción molecular, Prokhorov y Basov propusieron utilizar el efecto de un estrechamiento pronunciado de la línea en los haces moleculares. “Sin embargo, la transición a haces moleculares”, escriben I.G. Bebikh y V.S. transiciones inducidas entre dos estados de energía de moléculas con la absorción de un cuanto durante la transición del nivel inferior al superior (absorción inducida, estimulada) y con la emisión de un cuanto durante la transición del nivel superior hacia abajo (emisión inducida, estimulada). Por lo tanto, es proporcional a la diferencia entre las poblaciones de energía superior e inferior Para dos niveles separados por una distancia de energía igual a un cuanto de radiación de microondas , esta diferencia de población es solo una pequeña parte de la densidad total de partículas debido a la población térmica de los niveles en el estado de equilibrio a temperaturas ordinarias según la distribución de Boltzmann. Fue entonces cuando se propuso la idea de que cambiando artificialmente las poblaciones de los niveles en un haz molecular, es decir, creando condiciones de desequilibrio (o, por así decirlo, la propia "temperatura", que determina la población de estos niveles), uno puede cambiar significativamente la intensidad de la línea de absorción. Si el número de moléculas en el nivel de trabajo superior se reduce drásticamente separando dichas partículas del haz, por ejemplo, utilizando un campo eléctrico no homogéneo, entonces aumenta la intensidad de la línea de absorción. Se crea una temperatura ultrabaja en el haz, por así decirlo. Sin embargo, si las moléculas se eliminan del nivel de trabajo inferior de esta manera, el sistema experimentará una amplificación debido a la emisión estimulada. Si la ganancia excede las pérdidas, entonces el sistema se autoexcita a una frecuencia que todavía está determinada por la frecuencia de la transición cuántica dada de la molécula. En el haz molecular, en cambio, se llevará a cabo una inversión de población, es decir, se creará una especie de temperatura negativa”. Así apareció la idea de un generador molecular, que se esbozó en el conocido ciclo de obras conjuntas clásicas de AM Prokhorov y N.G. Basov 1952-1955. A partir de aquí comenzó el desarrollo de la electrónica cuántica, una de las áreas más fructíferas y de más rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas. En esencia, el paso principal y fundamental en la creación de generadores cuánticos fue preparar un sistema cuántico radiante en no equilibrio con inversión de población (con una temperatura negativa) y colocarlo en un sistema oscilatorio con retroalimentación positiva: un resonador de cavidad. Podría y debería haber sido realizado por científicos que combinaron la experiencia del estudio de los sistemas mecánicos cuánticos y la cultura radiofísica. Era inevitable una mayor extensión de estos principios a los rangos ópticos y de otro tipo. Prokhorov y Basov propusieron un nuevo método para obtener inversión de población en sistemas de tres niveles (y más complejos) saturando una de las transiciones bajo la acción de una potente radiación auxiliar. Este es el llamado "método de tres niveles", más tarde también llamado método de bombeo óptico. Fue él quien permitió en 1958 que Fabry-Perot formara una base científica real para el desarrollo de otras gamas. Esto fue utilizado con éxito en 1960 por T. Meiman al crear el primer láser de rubí. Mientras aún trabajaba en generadores moleculares, a Basov se le ocurrió la idea de la posibilidad de extender los principios y métodos de la radiofísica cuántica al rango de frecuencias ópticas. Desde 1957, ha estado buscando formas de crear generadores cuánticos ópticos: láseres. En 1959, Basov, junto con B.M. Vulom y Yu.M. Popov preparó el trabajo "Generadores de semiconductores mecánicos cuánticos y amplificadores de oscilaciones electromagnéticas". Se propuso utilizar la población inversa en semiconductores, obtenida en un campo eléctrico pulsado, para crear un láser. Esta propuesta, junto con las propuestas de científicos estadounidenses sobre el uso de cristales de rubí (C. Townes, A. Shavdov) y mezclas de gases (A. Javan), marcó el comienzo del desarrollo sistemático del rango de frecuencia óptica por cuántica. electrónica. En 1964, Basov, Prokhorov y Towns (EE. UU.) se convirtieron en ganadores del Premio Nobel, que fueron otorgados por investigaciones fundamentales en el campo de la electrónica cuántica, lo que condujo a la creación de másers y láseres. Autor: Samin D.K.
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