Сверхизлучение
Сверхизлучение — в атомной физике — кооперативное излучение, возникающее вследствие самопроизвольного зарождения и усиления корреляций первоначально независимых атомов c инверсной заселённостью верхнего энергетического уровня. В астрофизике — явление усиления отраженной от вращающейся чёрной дыры волны.
В атомной физике
Механизм сверхизлучения
Рассмотрим атомы вещества с двумя энергетическими уровнями. Предположим, что на уровень с энергией [math]\displaystyle{ E_2 }[/math] переведено [math]\displaystyle{ N_2 }[/math] атомов. Если это число меньше порогового значения [math]\displaystyle{ N_c }[/math], то сверхизлучения нет, а происходят обычные спонтанные переходы в состояние с энергией [math]\displaystyle{ E_1 }[/math] с характерным временем [math]\displaystyle{ \tau_0 }[/math]. При этом интенсивность излучения составляет[math]\displaystyle{ I \approx N I_0 }[/math], где [math]\displaystyle{ I_0 = \hbar \omega_0 / \tau_0 }[/math] - интенсивность излучения изолированного атома, [math]\displaystyle{ \omega_0 = (E_2 - E_1) / \hbar }[/math] — частота излучения. При [math]\displaystyle{ N_2 \gt N_c }[/math] возникает явление сверхизлучения. Излучение становится резко анизотропным и представляет собой короткий мощный импульс сверхизлучения с длительностью [math]\displaystyle{ \tau_c=\frac{\tau_0}{N} }[/math] и интенсивностью [math]\displaystyle{ I \approx N^2 I_0 }[/math] испускаемый по истечении времени [math]\displaystyle{ t_0 \approx \tau_s \ln N }[/math]. Явление сверхизлучения объясняется тем, что между фазами и амплитудами различных атомов возникает корреляция и в случае сверхизлучения все атомы вещества излучают как один большой диполь. В телах, с размерами много большими, чем длина волны излучения, условия осуществления явления сверхизлучения имеют вид: [math]\displaystyle{ \tau_s = \frac{\tau_0}{\phi}, \phi = \frac {nLc^2}{\omega_0^2} \gg 1 }[/math], где n — плотность возбуждённых атомов.
История
Возможность сверхизлучения была впервые предсказана американским физиком Р. Дикке в 1954 г. Впервые это явление было обнаружено в 1973 г. В качестве излучающего тела использовался фтористый водород HF. Для накачки использовалось излучение от лазера с длиной волны 2,5 мкм. Длительность импульса сверхизлучения составляла 100 нс.
В астрофизике
В астрофизике сверхизлучением называется явление усиления падающих на вращающуюся чёрную дыру волн. Впервые явление усиления волн вращающимися чёрными дырами было предсказано Я. Б. Зельдовичем[1]
Объяснение
Явление сверхизлучения в астрофизике объясняется взаимодействием падающей волны с вращающейся чёрной дырой. В результате этого взаимодействия изменяются масса, угловой момент и электрический заряд вращающейся чёрной дыры. В некоторых случаях возможно уменьшение массы чёрной дыры и за счёт этого рассеянная чёрной дырой волна обладает большей энергией, чем падающая. Данный эффект похож на эффект усиления волн вращающимися поглощающими телами.[2];
Примечания
- ↑ Зельдович Я. Б. Генерация волн вращающимся телом // Письма в ЖЭТФ. — 1971. — Т. 14, № 1. — С. 270—272.
- ↑ Новиков, 1986, с. 158.
Литература
- Dicke R. H. // Phys. Rev. 1954. Vol. 93. P. 99.
- Skribanowitz N., Hermann I. P., MacGillivray M. S., Feld M. S. // Phys. Rev. Lett. 1973. Vol. 30. P. 309.
- Железняков В. В., Кочаровский В. В., Кочаровский Вл. В. // ЖЭТФ. 1984. Т. 87. С. 1565.
- Файн В. М. Фотоны и нелинейные среды. М.: Сов. радио, 1972. 472 с.
- Железняков В. В., Кочаровский В. В., Кочаровский Вл. В. // Изв. вузов. Радиофизика. 1986. Т. 29. С. 1095.
- Гинзбург Н. С., Зотова И. В., Коноплев И. В. и др. // Письма в ЖЭТФ. 1996. Т. 63. С. 322.
- В. К. Воронов, А. В. Подплелов. Современная физика: учебное пособие. — М.: КомКнига, 2005. — 512 с. ISBN 5-484-00058-0, гл. 1. Нелинейная оптика, п. 1.3 Нестационарные эффекты, п. 1.3.1 Сверхизлучение, с. 26-31.
- В. В. Железняков Что такое сверхизлучение. (недоступная ссылка) Соросовский образовательный журнал, 1997 г., н. 4, с. 52-57;
- Новиков И.Д., Фролов В.П. Физика черных дыр. — М.: Наука, 1986. — 328 с.