Примечание: r" и k" - являются векторами r и k соответственно.

Один из основных выводов квантовой механики гласит, что каждая физическая система (например, электрон в атоме) может находиться только в одном из заданных энергетических состояний, - так называемых, собственных состояниях системы. С каждым состоянием (скажем, с состоянием электрона) можно связать собственную функцию

Ψ (r" , t) = U n * (r") * e -iEnt/ħ

причем | Un (r") | 2 dxdydz - вероятность нахождения электрона в некотором состоянии n в пределах элементарного объема dxdydz с центром в точке, определяемой радиус-вектором r" , Е n - энергия n -го состояния, ħ = h/2π; - постоянная Планка.

Каждому электрону в некоторой физической системе (например, в атоме или молекуле) соответствует свое состояние, т.е. своя энергия, причем эта энергия имеет дискретное значение.

На рис. 7.1 приведена схема энергетических уровней такой физической системы (на примере атома) . Обратимся к двум из уровней этой системы - 1 и 2. Уровень 1 соответствует основному состоянию физической системы, где нахождение ее наиболее вероятно. На уровень 2 система (электрон в атоме) может попасть, если ей передана некоторая энергия, равная hv = | E 2 - E 1 |.

Этот уровень 2 атома является возбужденным состоянием. Если система (атом) находится в состоянии 2 в течение времени t 0 , то существует конечная вероятность, что он перейдет в состояние 1, испустив при этом квант электромагнитной энергии hv = E 2 - E 1 . Этот процесс, происходящий без воздействия внешнего поля случайно во времени (хаотически), называется спонтанным .

Среднее число атомов, испытывающих спонтанный переход из состояния 2 в состояние 1 за одну секунду

DN 2 / dt = A 2 1 * N 2 = N 2 / (t cn) 2 1

где А 21 - скорость (вероятность) спонтанного перехода, (t cn) 21 = A 21 - 1 называется временем жизни атома в возбужденном состоянии, связанным с переходом 2→1. Спонтанные переходы происходят из любого данного состояния только в состояния, лежащие по энергии ниже (например, если атом находится в состоянии 3, то возможны прямые переходы 3→2, 3→1, а попавший на уровень 2 атом переходит спонтанно на уровень 1).

При наличии электромагнитного поля, имеющего частоту v ~ (E 2 - E 1) / h атом может совершить переход из состоянии 1 в состояние 2, поглощая при этом квант электромагнитного поля (фотон) с энергией hv. Однако, если атом в тот момент, когда он подвергается действию электромагнитного поля, уже находится в состоянии 2, то он может перейти в состояние 1 с испусканием кванта с энергией hv под воздействием этого поля. Этот переход соответствует индуцированному излучению.

Процесс индуцированного перехода от спонтанного отличает то, что для индуцированного перехода скорости переходов 2→1 и 1→2 равны, в то время как для спонтанного процесса скорость перехода 1→2, при котором энергия атома увеличивается, равна нулю.

Кроме этого, индуцированные процессы имеют и другие принципиальные особенности:

• скорость индуцированных процессов пропорциональна интенсивности электромагнитного поля, в то время как спонтанные от поля не зависят;
• волновой вектор k" , определяющий направление распространения индуцированного излучения, совпадает по направлению с соответствующим вектором вынуждающего поля (спонтанное излучение имеет произвольное направление распространения);
• частота, фаза и поляризация индуцированного излучения также совпадают с частотой, фазой и поляризацией вынуждающего поля, в то время как спонтанное излучение, даже имея ту же частоту, имеет произвольную случайную фазу и поляризацию.

Таким образом, можно утверждать, что вынуждающее и индуцированное (вынужденное) излучения оказываются строго когерентными.

Рассмотрим случай, когда плоская монохроматическая волна с частотой v и интенсивностью I v распространяется через среду с объемной плотностью атомов N 2 на уровне 2 и N 1 на уровне 1.

Если ввести скорость переходов, которые индуцируются монохроматическим полем с частотой v, обозначив ее через W i (v), то можно оценить условия, при которых будет существовать индуцированное излучение.

За 1 с в объеме 1 м 3 возникает N 2 W i индуцированных переходов с уровня 2 на уровень 1 и N 1 W i переходов с 1 на 2 уровень. Таким образом, полная мощность, генерируемая в единичном объеме

Мутации (от латинского mutatio – перемена) – это изменение генов и хромосом, проявляющееся в изменении свойств и признаков организмов. Описал их в 1901 году голландский учёный Де Фриз. Он же заложил основы и теории мутаций. Процесс образования мутаций во времени и пространстве называется мутагенез . Вещества, вызывающие мутации в клетках — мутагены.

В зависимости от происхождения различают спонтанные и индуцированные мутации.

Генеративные и соматические мутации.

Мутации могут возникать на всех стадиях развития организма и поражать гены и хромосомы как в половых клетках, так и в соматических. Поэтому по типу клеток различают генеративные и соматические мутации . Генеративные мутации происходят в половых клетках и в этом случае передаются следующим поколениям. Соматические мутации происходят в любых других соматических клетках организма; они провоцируют рак, нарушают иммунную систему, уменьшают продолжительность жизни. Соматические мутации не передаются по наследству. Большая часть канцерогенных веществ вызывает мутации в соматических клетках.

Спонтанные и индуцированные мутации.

Спонтанные мутации (самопроизвольное изменение в совокупности генов организма данного вида) – те мутации, которые возникают у организмов в нормальных природных условиях без видимых причин; они возникают как ошибки при воспроизведении генетического материала, поскольку редупликация не происходит с абсолютной точностью. Длительное время считалось, что спонтанные мутации являются беспричинными. Сейчас же пришли к выводу, что они являются результатом естественных процессов, протекающих в клетках. Они возникают в условиях природного радиоактивного фона Земли в виде космического излучения, радиоактивных элементов на поверхности Земли, радионуклидов в клетках организмов. Спонтанная мутация может возникнуть в любой период индивидуального развития и поразить любую хромосому или ген. Частота встречаемости спонтанных мутаций, например, 1:100000.

Индуцированные мутации возникают в результате действия мутагенов, нарушающих процессы, происходящие в клетке.

Если сравнить частоту спонтанных и индуцированных мутаций клеток организмов при обработке мутагеном и без него, то очевидно, что если частота мутаций повышается в 100 раз в результате воздействия мутагена, то одна мутация будет спонтанная, остальные индуцированные.

Факторы мутагенеза.

В зависимости от локализации в клетке различают генные и хромосомные мутации . Генные, или точечные, мутации заключаются в изменении индивидуальных генов (выпадение, вставка или замена одной пары нуклеотидов. Хромосомные мутации бывают нескольких видов и затрагивают:

изменение структуры хромосом (крупные перестройки в отдельных фрагментах ДНК):

Делеции (выпадение числа нуклеотидов);

Дупликации (повторение фрагментов ДНК, в результате чего происходит её удлинение);

Инверсии (поворот участка хромосом на 180 0);

Транслокации (перенос участка хромосомы в новое положение в той или уже другой хромосоме).

Мутации, поражающие структуру хромосом, называют хромосомными перестройками , или аберрациями.

изменение количества хромосом:

Полиплоидия (увеличение кратного набора хромосом);

Гаплоидия (уменьшение всего набора хромосом);

Анеуплоидия (нарушение нормального количества хромосом из-за добавления или удаления одной или более хромосом).

Мутации, затрагивающие изменение числа хромосом в клетках организма, называются геномными . Геном – совокупность генов организма данного вида.

Мутационные процессы происходят не только у человека, но и у животных и растений. Поэтому мы рассматриваем общие закономерности. Хромосомные аберрации встречаются у растений, животных и человека. Ведут к нарушению здоровья. Полиплоидия встречается чаще у растений, у животных и человека – редка (число хромосом может увеличиваться в 3, 4, 5 раз). Гаплоидия встречается также в основном у растений (около 800 видов растений имеют гаплоиды), у животных — очень редка, у человека неизвестна. Анеуплоидия часто встречается у растений, у животных и у человека. Делеции – наиболее частые и опасные формы повреждения хромосом для человека. Некоторые дупликации вредны и даже летальны. Повтор сегмента хромосомы может быть малым, касаясь одиночного гена, или большим, затрагивая большое количество генов. Могут быть и безвредные дупликации. Транслокации происходят в результате разрыва хромосом. Могут иметь размеры от небольших до значительных.

Мутации могут оказаться незамеченными, если они затронули второстепенные участки наследственных структур, но могут приводить к серьёзным расстройствам, вплоть до гибели организма.

Возникшие повреждения в ДНК не обязательно реализуются в мутации. Они могут бесследно исчезнуть, благодаря существующей в клетке эффективной системе восстановления генетических повреждений (репарации). Проявление мутантного гена может быть подавлено действием другого гена. В этом случае мутантный ген может передаваться из поколения в поколение и проявиться только в случае, когда в зародышевой клетке встретятся два идентичных мутантных гена. Некоторые мутации проявляются только в определённых условиях существования. Например, при определённой температуре культивирования мутантных микроорганизмов.

Лазеры или оптические квантовые генераторы – это современные когерентные источники излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах.

Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 10 12 –10 13 Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, в оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных экспериментах, в химии, просто в быту и т. д. Хотя первый лазер был построен сравнительно недавно (1960 г.), современную жизнь уже невозможно представить без лазеров.

Одним из важнейших свойств лазерного излучения является чрезвычайно высокая степень его монохроматичности, недостижимая в излучении нелазерных источников. Это и все другие уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.

Чтобы понять принцип работы лазера, рассмотрим процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E 1 , E 2 и т. д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом может находиться бесконечно долго в отсутствие внешних возмущений, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны. Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10 –8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10 –3 с. Такие уровни называются метастабильными.

Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.

Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безызлучательными.

В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным. Вынужденное излучение резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца. Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров. На рисунке 80 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением (а), спонтанным испусканием кванта (b) и индуцированным испусканием кванта (с). Рассмотрим слой прозрачного вещества, атомы которого могут находиться в состояниях с энергиями E 1 и E 2 > E 1 . Пусть в этом слое распространяется излучение резонансной частоты перехода ν = ΔE / h. Согласно распределению Больцмана, при термодинамическом равновесии большее количество атомов вещества будет находиться в нижнем энергетическом состоянии. Некоторая часть атомов будет находиться и в верхнем энергетическом состоянии, получая необходимую энергию при столкновениях с другими атомами. Обозначим населенности нижнего и верхнего уровней соответственно через n 1 и n 2 < n 1 . При распространении резонансного излучения в такой среде будут происходить все три процесса, изображенные на рисунке 80. Эйнштейн показал, что процесс (a) поглощения фотона

Процессы генерации и рекомбинации носителей заряда неотъемлемы друг от друга, хотя и противоположны по содержанию. Энергия при рекомбинации может выделяться либо в виде фотона (излучательная рекомбинация), либо в виде фонона (безызлучательная рекомбинация).

В последние годы разработан ряд типов приборов, преобразующих электрические сигналы в световые. В основе принципа их действия лежит так называемое рекомбинационное излучение - излучение квантов света при прямых рекомбинационных актах пар электрон - дырка.

Для интенсивной рекомбинации необходимо одновременно иметь высокую плотность электронов в зоне проводимости и высокую плотность свободных уровней (дырок) в валентной зоне.

Такие условия создаются при высоком уровне инжекции электронов в дырочный полупроводник с высокой концентрацией акцепторов.

Очевидно, что для того чтобы имела место излучательная рекомбинация, соответствующая прямым переходам, необходимо, чтобы полупроводник имел соответствующую зонную структуру: экстремумы валентной зоны и зоны проводимости должны соответствовать одному и тому же значению волнового вектора .

В настоящее время исследован ряд полупроводниковых соединений типов А III В V , A II B VI , а также других двойных (SiC) и тройных систем (типа GaAsP, InAsP, PbSnSe, PbSnTe и т. д.), на которых можно изготовить p-n-переходы, излучающие световые колебания при включении их в прямом направлении. Такие полупроводниковые источники света могут оказаться весьма удобными для целого ряда применений, например в качестве индикаторных устройств.

Легированием полупроводника теми или иными примесями удается за счет примесной зоны изменять энергию рекомбинации и, следовательно, длину волны излучаемого света. Так, p-n-переходы на GaP дают два максимума излучения: 5650 и 7000 Å. P-n-переходы на GaAsP обеспечивают свечение в диапазоне от 6000 до 7000 Å. Свечение в диапазоне длин волн 5600-6300 Å можно получить на переходах из карбида кремния. Работа в режиме излучательной рекомбинации происходит при относительно высоких плотностях тока (несколько сотен ампер на квадратный сантиметр) при квантовом выходе порядка 0,5-1,5%.

При более высоких плотностях тока, превышающих 500 а/см 2 и достигающих несколько тысяч а/см 2 , проявляется качественно новое явление -

При внешних напряжениях на переходе, приближающихся к контактной разности потенциалов (что соответствует очень высоким плотностям тока), происходит так называемая инверсия заселенности . Плотность занятых электронами уровней в зоне проводимости становится выше, чем плотность занятых электронами уровней у потолка валентной зоны.

Значение плотности тока, при котором наступает инверсия заселенности, называют пороговым током .

При токах ниже порогового имеют место случайные акты рекомбинации, т.е. так называемое спонтанное излучение.

При токах выше порогового световой квант, проходящий через полупроводник, вызывает стимулированное излучение - одновременную рекомбинацию ряда носителей заряда. В этом случае происходит усиление или генерация когерентных световых колебаний, т. е. колебаний, имеющих одну и ту же фазу.

Таким образом, при плотностях тока, превышающих пороговое значение, некоторые типы полупроводниковых p-n-переходов могут являться источниками лазерного излучения. Преимуществом полупроводниковых лазеров является то, что они не нуждаются в оптической накачке. Роль оптической накачки здесь выполняют инжекционные токи, создающие инверсную заселенность. Полупроводниковые лазеры могут иметь к.п.д., превышающий 50%, и являются особенно выгодными по сравнению с другими видами лазеров при использовании их в непрерывном режиме.

Наиболее распространенным материалом для лазерных p-n-переходов является арсенид галлия. С помощью p-n-переходов на арсениде галлия в непрерывном режиме можно получать единицы ватт практически монохроматического излучения с длиной волны 8400 Å при температуре жидкого азота. При комнатной температуре длина волны увеличивается до 9000 Å.

Инверсная заселенность в полупроводниках может создаваться не только путем инжекции, но и другими способами, например возбуждением электронов с помощью электронного луча.

Лазер - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения микрочастиц среды, в котором создана высокая степень возбуждения одного из энергетических уровней.

Л.А.З.Е.Р. - с англ. усиление света с помощью вынужденного излучения.

Оптический квантовый генератор, превращает энергию накачки в энергию когерентного монохроматического поляризованного узкого направления. Эйнштейн ввел понятие вынужденного излучения. В1939 г. к выводу о возможности усиления света при прохождении через вещество пришел русский ученый Фабрикант.

Условия для работы. Принцип.

• - вынужденное излучение. При взаимодействии фотона с возбужденной молекулой происходит усиление света. Число вынужденных переходов зависит от числа падающих в секунду фотонов и числа возбужденных электронов.
• - инверсная населенность энергетических уровней - состояние, когда на более высоком энергетическом уровне находится больше частиц, чем на более низком. Активная среда - среда, приведенная в состояние инверсной населенности. Создать ИН можно только выведя из состояния ТД равновесия (методы накачки)
• 1) оптическая накачка прозрачных активных сред использует импульсы света от внешнего источника.
• 2) электроразрядная накачка газовых активных сред использует электрический заряд.
• 3) инжекционная накачка полупроводниковых активных сред использует эл. ток.
• 4) химическая накачка активной среды из смеси газов использует энергию хим. реакций между компонентами смеси.

Устройство лазера:

• 1) рабочее тело - среда, которая внешним воздействием приводится в активное состояние
• 2) система накачки - устройство для приведения рабочего тела в активное состояние
• 3) оптический резонатор - два плоских зеркала, обращенных друг к другу. За счет многократного отражения происходит лавинообразное излучение фотонов. Когда интенсивность достигает определенной величины, начинается генерация лазерного излучения.

Особенности лазерного излучения:

• 1) высокая монохроматичность
• 2) когерентность - постоянство разности фаз фотонов
• 3) высокая интенсивность до 1014-1016 Вт/кВ.см.
• 4) коллимированность
• 5) поляризованность - ЛИ только в одной плоскости.
• 6) высокая мощность до 10 (в 5 ст) Вт.

Рубиновый лазер.

Рабочее тело - окись Al + 0,05% окись хрома, система накачки - оптическая, длина волны = 694,3 нм. Al имеет 2 энергетических уровня (основной и возбужденный). Т = 10 (в -8 ст) с. Хром имеет 3 энерг.уровня (основной, возбужденный, промежуточный), Т = 10 (в -3ст) с. Al передает свою энергию атомам хрома, помогает возбуждаться. Хром - активная среда.

Гелий-неоновый лазер.

Рабочее тело - смесь газов гелия и неона в соотношении 10: 1. Давление 150 Па. Атомы неона - излучающие, гелия - вспомогательные. Система накачки - эл. разряд. Длина волны = 632,8 нм.

Поглощая фотон, атом переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. При самопроизвольном переходе на более низкий уровень атом испускает фотон. Для атомов конкретного химического элемента разрешены только совершенно определённые переходы между энергетическими уровнями. В следствие этого атомы поглощают только те фотоны, энергия которых в точности соответствует энергии перехода атома с одного энергетического уровня на другой. Визуально это проявляется в существовании для каждого химического элемента индивидуальных спектров поглощения, содержащих определённый набор цветных полос.

Фотон, испускаемый атомом при переходе на более низкий энергетический уровень, так же обладает совершенно определённой энергией, соответствующей разности энергий между энергетическими уровнями. По этой причине атомы способны излучать световые волны только определённых частот. Этот эффект наглядно проявляется при работе люминесцентных ламп, часто используемых в уличной рекламе. Полость такой лампы заполнена каким-либо инертным газом, атомы которого возбуждаются ультрафиолетовым излучением, которое возникает при пропускании электрического тока через специальный слой, покрывающий внутреннюю поверхность оболочки лампы. Возвращаясь в основное состояние атомы газа дают свечение определённого цвета. Так, например, неон даёт красное свечение, а аргон - зелёное.

Самопроизвольные (спонтанные) переходы атомов с более высокого энергетического уровня на более низкий носят случайный характер. Генерируемое при этом излучение не обладает свойствами лазерного излучения: параллельностью световых пучков, когерентностью (согласованностью амплитуд и фаз колебаний во времени и пространстве), монохромностью (строгой одноцветностью). Однако, ещё в 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал существование наряду со спонтанными переходами на более низкий энергетический уровень индуцированных переходов. В последствии эта возможность была реализована в конструкции лазеров. Сущность этого явления состоит в том, что фотон светового потока, встречая на своём пути возбуждённый атом выбивает из него фотон с точно такими же характеристиками.

В результате число одинаковых фотонов удваивается. Вновь образовавшийся фотон, в свою очередь, способен генерировать ещё один фотон, выбивая его из другого возбуждённого атома. Таким образом, число одинаковых фотонов лавинообразно нарастает. Генерируемое при этом излучение характеризуется высокой степенью параллельности пучков светового потока, когерентности и монохромности, так как в нём присутствуют только те фотоны, которые обладают одинаковой энергией и направлением движением.