Населённость уровня

Шаблон:Проводится экспертиза РАН Населённость у́ровня — число частиц, обладающих определённым уровнем энергии в единице объёма вещества.

Физические основы

Рис. 1. Формирование зон при сближении атомов. s, p — атомные орбитали изолированных атомов

Рис. 2. Формирование зон при сближении атомов. s, p — атомные орбитали изолированных атомов

В квантовых системах, таких как атомы, молекулы, атомные ядра, твёрдое тело, газы, энергия принимает ряд дискретных значений. В зависимости от вида потенциала системы, определяемого её строением, таких дискретных уровней может быть как конечное, так и бесконечное число. В системах, обладающих симметрией, возможно вырождение — если одному значению энергии соответствует несколько различных состояний системы.

Энергетическое строение системы представляет собой энергетический спектр, в котором нижние уровни энергии называют основными, а все остальные — возбуждёнными, поскольку для перехода в эти состояние требуется внешний приток энергии, например, облучение электромагнитными волнами, нагрев, радиационные эффекты, и др.

Впервые понятие «уровня энергии» ввёл Н. Бор в 1913 г. при изучении спектров атомов водорода и разработке полуклассической модели атома. В этой модели Н. Бор предположил, что электроны в атоме водорода могут двигаться только по определённым орбитам, не излучая при этом энергию, что позволило преодолеть парадокс классической электродинамики, согласно которому электрон, двигаясь вокруг ядра атома водорода, должен терять энергию и, в конечном счёте, упасть на ядро. В модели атома Бора излучение или поглощение энергии происходит только при переходах электронов между орбитами, причём при переходе от низшего состояния к высшему происходит поглощение энергии, а при переходах из более возбуждённых состояний в основные разность энергии между ними приводит к излучению энергии (фотона). Стационарными орбитами являются те, при движении по которым момент количества движения электрона равен целому числу постоянных Планка, или $m_{e}vr=n\hbar$.

В более сложных атомах и системах на одном энергетическом уровне может находиться несколько частиц (электронов). Для таких систем вводится понятие населённости уровня, который является отражением заполненности данного энергетического уровня.

Наиболее широко термин населённость уровня используется в физике твёрдого тела и лазерной физике.

В физике твёрдого тела (особенно в физике полупроводников и диэлектриков) на основе квантовой теории разработана зонная теория твёрдого тела, согласно которой энергетический спектр электронов состоит из отдельных энергетических зон — валентной зоны, запрещённой зоны и зоны проводимости. Энергетические уровни, из которых состоят зоны в зонной теории, характеризуются, помимо значений энергии, и населённостью. В случае примесных полупроводников появляются т. н. примесные уровни, соответствующие энергиям примесных атомов или дефектов, и для них тоже применяется это понятие. На рисунке 1 показано возникновение энергетических зон в твёрдом теле в рамках зонной теории.

В лазерной физике фундаментальной основой при создании лазеров является наличие систем уровней, между которыми происходят энергетические переходы, излучательные и безизлучательные, а на части из них обязательно в результате энергетической накачки должна существовать инверсия населённостей, при которой число частиц на возбуждённых уровнях больше, чем на основных, чего не может быть при термодинамическом равновесии. Населённость уровней в сложных (трёх- и более уровневых лазерных системах) является очень важным параметром в физике лазеров и сред для их создания. На рисунке 2 показаны трёхуровневые и четырёхуровневые схемы накачки активной среды атомов для создания инверсной населённости, в результате которой возможно получение когерентного излучения при энергетических переходах из возбуждённых состояний в основные с излучением фотонов.

Литература

• Фрелих Г. Теория диэлектриков. — Москва : Издательство иностранной литературы, 1960.
• Шен И. Р. Принципы нелинейной оптики. — Москва : Наука, 1964.
• Займан Дж. Принципы теории твёрдого тела. — Москва : Мир, 1966.
• Стильбанс Л. С. Физика полупроводников. — Москва : Советское радио, 1967.
• Горюнова Н. А. Органические полупроводники. — Москва, 1968.
• Каргин В. А. Органические полупроводники. — Москва : Наука, 1968.
• Дулов А., Слинкин А. Органические полупроводники. Полимеры с сопряжёнными связями. — Москва: Наука, 1970. — 128 с.
• Цидильковский И. М. Электроны и дырки в полупроводниках. Энергетический спектр и динамика. — Москва : «Наука», 1972.
• Киреев П. С. Физика полупроводников. — Москва : «Высшая школа», 1975.
• Уизем Д. Линейные и нелинейные волны. — Москва : Мир, 1975.
• Апенко М. И., Дубовик А. С. Прикладная оптика. — Москва : Наука, 1982.
• Ахманов С. А., Выслоух В. А., Чиркин А. С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. — Москва : Наука, 1988.
• Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. — Москва : Наука, 1990.
• Гурбатов С. Н., Руденко О. В., Саичев А. И. Волны и структуры в нелинейных средах без дисперсии. — Москва : Физматлит, 1990.
• Ландсберг Г. С. Оптика : учебное пособие для вузов. — Москва : Физматлит, 2003.
• Бутиков Е. И. Оптика : учебное пособие для вузов. — СПб. : БХВ-Петербург : Невский ДиалектЪ, 2003.
• Дмитриев В. Г., Тарасов Л. В. Прикладная нелинейная оптика. — Москва : Физматлит, 2004.
• Cai W., Shalaev V. Optical metamaterials. — N. Y., 2005.
• Wegener M. Extreme nonlinear optics. — N. Y., 2005.
• Желтиков А. М. Сверхкороткие импульсы и методы нелинейной оптики. — Москва : Литрес, 2006.
• Заказнов Н. П., Кирюшин С. И., Кузичев В. И. Теория оптических систем : учебное пособие для студентов вузов. — СПб., : Лань, 2008.
• Гуртов В. А. Твердотельная электроника. — Москва : «ТЕХНОСФЕРА», 2008.
• Ансельм А. И. Введение в теорию полупроводников : учебное пособие для вузов. — 3-е изд., стер. — СПб. : Лань, 2008.
• Манцызов Б. И. Когерентная и нелинейная оптика фотонных кристаллов. — Москва : Физматлит, 2009.
• Шалимова К. В. Физика полупроводников. — СПб. : «Лань», 2010.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. — Москва : Физматлит, 2014.
• Запрягаева Л. А. Прикладная оптика. Ч. 1. Введение в теорию оптических систем. — Москва : Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии, 2017.
• Михеенко А. В. Геометрическая оптика : учебное пособие. — Хабаровск : Издательство Тихоокеанского государственного университета, 2018.
• Дроздов А. А., Козлов С. А. Основы нелинейной оптики. — СПб. : Университет ИТМО, 2021.

Ссылки

• Физика лазеров
• Инверсная населённость

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Населённость уровня», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Населённость_уровня» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».