Физика

ЭФФЕКТ СВЕТОИНДУЦИРОВАННОГО ДРЕЙФА

Взаимодействие лазерного излучения с веществом богато многочисленными эффектами. Один из них состоит в том, что при определенных условиях в поле такого излучения происходит дрейф компонентов газа относительно друг друга, причем скорость их перемещения может приближаться к звуковой. Удивительно, но энергия лазерного пучка не передается при этом газовой среде.

Полвека назад был изобретен лазер*, что повлекло за собой революционные сдвиги в физике, других областях науки, а также технике и даже в быту. Своим могуществом эти установки обязаны уникальным свойствам генерируемого ими излучения: высокой когерентности**, возможности сконцентрировать энергию в узком спектральном, временном и пространственном интервалах. При взаимодействии с веществом лазерное излучение радикально изменяет внутренние состояния атомов и молекул, приводя к самым разнообразным последствиям. Прежде всего за счет резонансных переходов между внутренними состояниями атомов и молекул излучение создает существенную неравновесность в распределении по этим состояниям. Оказывается, столкновения газовых частиц способны перенести неравновесность на их поступательные степени свободы. В результате меняются макроскопические (термодинамические, кинетические) характеристики газовой системы. Одно из самых ярких проявлений подобного рода - эффект светоиндуцированного дрейфа (СИД) - новое физическое явление, теоретически предсказанное автором статьи*** и его сотрудником Фарисом Гельмухановым (впоследствии доктор физико-математических наук) в 1979 г. и тогда же впервые зарегистрированное экспериментально в Институте автоматики и электрометрии СО РАН.

Схема эксперимента "ловушка".

Излучение проходит через канал, закрытый с торца.

Там присутствует смесь поглощающего и буферного газа. Частицы первого (обозначены кружками) под действием СИД скапливаются у преграды.

Схема эксперимента "поршень". То же, что и в схеме "ловушка", но в условиях длительного накопления поглощающего газа.

ФИЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА ИДЕИ

Как известно, частицы газа, находящегося в тепловом равновесии, движутся хаотически, но равноправно во всех направлениях (если, конечно, нет внешних полей), время от времени сталкиваясь друг с другом. Расстояние, пролетаемое каждой между двумя последовательными столкновениями, называется длиной свободного пробега. И для всех направлений она одинакова.

Теперь попробуем представить гипотетическую ситуацию: для газовых частиц определенного сорта по какой-то причине указанная длина стала анизотропной****. Например, в выбранном направлении длина их свободного пробега больше, чем в обратном. Очевидно, обладающие подобным свойством в среднем будут перемещаться (дрейфовать) в сторону с большей длиной пробега. Такое их поведение ранее представлялось абсурдным - никто всерьез подобные фантазии не обсуждал. Однако они могут обратиться в реальность, если на газ воздействовать лазерным излучением.

Предположим, газ представляет собой смесь двух компонентов, один из которых резонансно поглощает лазерное излучение, а другой (назовем его буферным) с ним не взаимодействует вовсе. Оказывается, в подходящих условиях у поглощающих частиц длина свободного пробега действительно становится анизотропной и, как следствие, они начинают дрейфовать относительно буферных частиц. В этом и проявляется эффект СИД.

Прежде чем объяснить причину указанной анизотропии, напомним основные черты квантовой структуры частиц газа как таковых. Атомы и молекулы обладают дискретным набором внутренних энергетических уровней. Самый нижний из них (с минимальной энергией) - основной, и в отсутствие специфических внешних воздействий (в частности, излучения) все частицы находятся на этом уровне. Остальные же называются возбужденными. Время их жизни конечно (для атомов - 10 ^{- 8} - 10 ^{- 7} с): частица, попавшая на такой уровень, спустя определенное время испускает квант излучения и переходит на более низкий. С первого же возбужденного уровня она самопроизвольно переходит исключительно на основной. И разность их энергий равна испускаемой при этом квантом.

Выберем лазерное излучение таким, чтобы энергия каждого из его квантов оказалась близка к разности энергий возбужденного и основного уровней. В этом случае излучение эффективно поглощается, и частица переходит из основного состояния в первое возбужденное, чем мы реализуем так называемое резонансное поглощение излучения (другие уровни при этом не затрагиваются). Далее она какое-то время пребывает на указанном уровне, а затем испускает квант излучения либо аналогичный лазерному (так называемое вынужденное испускание), либо изотропно и с энергией, равной разности энергий уровней (спонтанное испускание). Потом частица вновь оказывается в основном состоянии. И далее процесс повторяется.

Лазерный источник способен обеспечить такую интенсивность излучения, что доля возбужденных частиц составит половину от общего количества находящихся в поле излучения. Разумеется, нужно, чтобы энергия его кванта была близка к разности энергий уровней. В противном случае взаимодействие частиц с излучением резко уменьшается.

Теперь обратим внимание на разницу между возбужденной и невозбужденной частицей. Для определенности будем говорить об атоме, в котором энергетические уровни отражают состояние движения внешнего электрона. Очевидно, чем большая энергия вложена в атом извне, тем дальше от ядра окажется внешний электрон. Следовательно, можно говорить об изменении размера атома: у находящегося на возбужденном уровне он, как правило, больше, чем у невозбужденного. Вывод относится и к молекулам. С другой стороны, размер частицы газа тесно связан с длиной ее свободного пробега: чем больше частица, тем короче длина. Значит, лазерное излучение, кроме всего прочего, способно влиять на размер поглощающих частиц и, как следствие, на длину их свободного пробега в буферном газе.

Схема эксперимента "магнитная ловушка". Капилляр, через который проходит излучение, встроен в две катушки с электрическим током, создающим встречные магнитные поля.

Итак, у нас в руках способ воздействия на последнюю величину. Но для реализации нашей фантазии нужна анизотропия этой характеристики. Здесь на помощь приходит эффект Доплера (одно из его проявлений - известное различие в восприятии звука приближающегося и удаляющегося поезда или самолета; в первой ситуации тона более высокие, во второй - низкие). Он характерен для излучения любой природы (звуковое, электромагнитное и др.) - по сути каждое из них есть распространение колебаний, характеризующихся определенной частотой. В частности, видимый свет - электромагнитные колебания с частотой примерно миллион миллиардов в 1 с. В общем же случае эффект Доплера состоит в следующем. Допустим, есть источник излучения и его приемник. Если второй движется относительно первого, то для приемника частота излучения источника оказывается сдвинутой: при приближении - в сторону увеличения, при удалении - уменьшения. Величина такого сдвига пропорциональна скорости либо приближения, либо удаления соответственно. В нашем случае источником излучения, естественно, служит лазер, а приемниками - частицы газа. Поскольку они находятся в тепловом движении, то для каждой из них существует свой сдвиг частоты. С другой стороны, согласно квантовой природе света энергия кванта излучения пропорциональна частоте его электромагнитных колебаний. Значит, из-за действия эффекта Доплера для некоторых частиц, имеющих подходящую скорость, энергия такого кванта окажется близкой к разности энергий возбужденного и невозбужденного уровней (резонансные условия), и они будут эффективно поглощать излучение, переходя в возбужденное состояние.

Частицы с другими скоростями взаимодействовать с излучением практически не будут. Например, если энергия его кванта меньше разности энергий уровней, то в резонанс попадет определенная группа частиц, движущихся навстречу распространению излучения. В обратной ситуации резонансными окажутся те, что направляются в сторону его распространения. Таким образом, изменяя частоту лазерного источника, можно возбуждать либо вторую группу частиц, либо первую. А манипулируя спектром (набором частот) или давлением газа, можно реально добиться того, что возбуждаться будут только частицы, движущиеся в строго определенном направлении.

Теперь вспомним, что возбужденные частицы имеют другой размер по сравнению с невозбужденными и, следовательно, иную (как правило, меньшую) длину свободного пробега в буферном газе. Тогда напрашивается вывод: нам удалось реализовать анизотропию длины свободного пробега частиц поглощающего компонента газа. С точки зрения одной из них процесс выглядит так. Пусть лазерное излучение возбуждает частицу, когда она летит в сторону его распространения. Если при этом она спонтанно девозбудится, не успев столкнуться с другими, излучение возбудит ее вновь, так что у нее высока вероятность испытать столкновение, будучи на возбужденном уровне, а ему соответствует меньшая длина свободного пробега. Стоит затем ей начать двигаться против направления излучения следующее столкновение (при достаточно быстром спонтанном девозбуждении) она испытает, находясь почти обязательно на основном уровне, где длина свободного пробега больше. В итоге в процессе своей жизни частица приобретает оба направления движения, причем систематически при одном из них длина свободного пробега будет больше, чем при другом. Это приводит к ее дрейфу. Очевидно, его направление можно менять путем изменения частоты (энергии кванта) излучения.

Заметим, СИД не следует путать с эффектом светового давления, также приводящим к перемещению поглощающих частиц, но действующим лишь в направлении распространения излучения. Кроме того, в условиях, оптимальных для СИД, эффект светового давления почти в миллион раз слабее.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ

К настоящему времени в нашем Институте и ряде зарубежных центров выполнено много работ по наблюдению и исследованию СИД для различных объектов: атомарных паров практически всех щелочных металлов, молекулярных газов. Нагляднее всего это явление проявляется в атомарных газах при поглощении излучения на электронных переходах, в частности, из-за того, что в возбужденном электронном состоянии размер атома существенно отличается от такового в основном. Были реализованы различные схемы эксперимента. Например, в схеме, названной "ловушкой", при прохождении излучения через канал, закрытый с торца, частицы поглощающего газа скапливаются у преграды. Вариант "поршень" похож на предыдущий, но его реализация более длительна. При большом количестве поглощающих частиц излучение не проникает далеко и гасится целиком в малой пространственной области, за которой их концентрация постоянна. В "магнитной ловушке" магнитное поле сдвигает уровни энергии атомов, что эквивалентно смещению частоты излучения. Сами сдвиги противоположны в разных половинах капилляра и обеспечивают соответствующие дрейфовые движения поглощающих частиц, скапливающихся в его центре, где магнитное поле равно нулю. Еще один вариант - схема "вентиль". В этом случае в центре капилляра, через который проходит излучение, размещается источник частиц поглощающего газа, и в зависимости от того, выше или ниже резонанса находится частота излучения, под действием СИД они дрейфуют в правую или левую сторону от центра капилляра. Наконец, суть схемы "пуля" состоит в том, что в начало длинного капилляра "впрыскивается" пространственно локализованный сгусток поглощающих частиц. В тот же момент включается излучение и последний, попав в это поле, дрейфует в буферном газе вдоль капилляра. Можно создать условия, при которых сгусток не расплывается, т. е. ведет себя подобно солитону (уединенная волна с неизменным профилем).

Схема эксперимента "пуля" (автоволна).

Для атомарных объектов, резонансная частота возбуждения которых лежит в оптической области спектра (например, натрий, литий), эффект легко наблюдается визуально: благодаря яркому спонтанно испускаемому излучению (флуоресценции) атомы обнаруживают свое присутствие в том или ином месте светового пучка. В качестве примера мы приводим фото реального опыта по регистрации СИД паров натрия в благородном газе (схема "вентиль"). Кстати, в экспериментах с парами того же элемента по схеме "пуля" достигнута скорость дрейфа около 50 м/с, что составляет 10% от средней скорости теплового движения. В "ловушке" и "магнитной ловушке" удалось сконцентрировать пары натрия в слой толщиной в доли миллиметра. В режиме "поршня" осуществлено накопление радиоактивных изотопов натрия до высоких концентраций, кроме того, выделен и накоплен один из стабильных изотопов лития. Все это показало: СИД способен обеспечивать высокий коэффициент обогащения изотопов в одном цикле.

Для молекулярных газов достижимая скорость СИД существенно ниже, чем для атомарных. Связано это, во-первых, с меньшим отличием размеров молекул в основном и возбужденном состояниях, а во-вторых, с большим количеством близко расположенных (вращательных) их уровней, переход на которые за счет столкновений прекращает взаимодействие с излучением. С другой стороны, рабочие концентрации для молекулярных газов намного выше, чем для атомарных; в итоге же эффект СИД и в молекулярных газах проявляется сильно. С его помощью удалось разделить химически разнородные смеси ряда молекулярных газов, изотопов, а также ядерных спиновых***** модификаций молекул. Заметим: за исключением таких модификаций молекул водорода (известные специалистам как пара- и ортоводород), для других, более тяжелых молекул надежного экспериментального способа разделения не существовало. Зато на основе СИД проблема решается достаточно просто. Добавим: при разделении ядерных спиновых модификаций молекул выявлен физический механизм их конверсии (возврата к равновесной ситуации). Он оказался связанным с внутримолекулярными магнитными взаимодействиями.

Поскольку эффект СИД обусловлен, в частности, отличием размеров атомов и молекул в основном и возбужденном состояниях, то, наконец, открылась возможность экспериментального определения размеров возбужденных атомов и молекул (ранее методик подобных измерений не было). Серии работ, проведенных с атомарными и молекулярными газами, позволили эту проблему решить. И теперь специалисты регистрируют даже очень незначительные (до сотых долей процента) изменения транспортных сечений молекул при их возбуждении, а также зависимости сечений последних от скорости перемещения.

СИД КАК "ДЕМОН МАКСВЕЛЛА"

При объяснении физической сущности эффекта СИД мы намеренно пренебрегли передачей импульса фотона поглощающей частице газа, т. е. силовым воздействием излучения на сам газ. Тем не менее в итоге получили движение (дрейф) поглощающего его компонента. Возникает вопрос: откуда появились импульс и энергия этого движения? Ответ состоит в том, что поглощающий компонент разгоняет сила, действующая со стороны буферного. В соответствии с третьим законом Ньютона точно такая же по величине сила, но в обратном направлении должна действовать со стороны поглощающего компонента на буферный, и он должен прийти в движение. Как следствие, суммарный импульс смеси все время остается неизменным. Отсюда, в частности, выявляется принципиальная для СИД роль буферного компонента: в его отсутствие поглощающий газ, как целое, направленного движения не получает. Очевидно: оба компонента черпают энергию своего перемещения из внутренней (тепловой) энергии газа. Постараемся развеять возможные сомнения на этот счет.

Схема эксперимента "вентиль". Под действием СИД частицы дрейфуют либо в правую (вверху), либо в левую (внизу) сторону от центра капилляра.

Можно было бы предположить, что существует упущенный в наших рассуждениях процесс преобразования энергии излучения в энергию направленного движения газовых компонентов. Однако это ошибка. Вполне реалистична ситуация (в особенности относящаяся к оптическому возбуждению электронных переходов атомов), когда поглощения (диссипации) энергии излучения как такового в среде не происходит. Причем атом, поглотивший фотон падающего излучения, испускает затем либо аналогичный (процесс вынужденного испускания), либо практически той же энергии, но равновероятно во всех направлениях (спонтанное испускание). В обоих случаях энергия поступательного движения атома не меняется. Конечно, при прохождении направленного излучения через газовую среду его энергия убывает, однако она "перерабатывается" в энергию изотропно распространяющегося излучения - это процесс резонансного рассеяния. И можно постулировать именно данный механизм взаимодействия излучения с газом, получая, тем не менее, эффект СИД, что окончательно свидетельствует: единственный источник энергии дрейфового движения - тепловая энергия газа.

Итак, мы имеем уникальную ситуацию, когда внешний объект (в данном случае излучение) "провоцирует" упорядоченное движение и разделение компонентов смеси без передачи газу импульса и энергии. Подобную ситуацию впервые обсуждал еще в XIX в. английский физик Джеймс Максвелл и ассоциировал с гипотетическим объектом, который впоследствии назвали "демоном Максвелла". Предполагалось, что это "существо", управляя задвижкой, разделяющей два сосуда, может сортировать частицы газа или по их энергиям, или по типу. И выдающийся ученый показал: эти действия могут осуществляться практически без затраты энергии со стороны "демона". Тогда произойдет разделение по двум сосудам частиц либо горячих и холодных, либо разных сортов. Словом, из полного беспорядка возникнет некоторый порядок. Если же газ предоставить самому себе, процесс потечет в обратном направлении: из порядка родится беспорядок (равномерное перемешивание по всему объему, равновесное распределение по энергиям частиц). В более общей формулировке этот факт отражает второе начало термодинамики: в замкнутой термодинамической системе энтропия (количественная мера беспорядка) не убывает, а может лишь возрастать. Много десятилетий не удавалось найти способ воздействия на газ, подобного тому, на что способен гипотетический "демон Максвелла". Считалось даже, что осуществить его нельзя в принципе.

Однако сейчас мы вправе утверждать: в качестве "демона" может выступать лазерное излучение, когда оно порождает эффект СИД. Тогда частицы одного сорта скапливаются преимущественно в одном из сосудов, другого - в ином. При этом, как мы уже выяснили, излучение не передает газу энергии: в обоих сосудах частицы оптически не возбуждены. С другой стороны, в газе из беспорядка возникает элемент порядка и в результате его энтропия понижается. Отсюда, впрочем, не следует нарушения фундаментального принципа: в данном случае замкнутая система в качестве необходимого элемента должна включать в себя и излучение. Второе начало термодинамики заведомо удовлетворяется, если принять во внимание, что в газе происходит трансформация упорядоченного (направленного) излучения в беспорядочное (изотропно рассеянное), т. е. энтропия излучения возрастает, причем этот рост с запасом компенсирует уменьшение энтропии газовой среды.

Фото реального опыта по схеме "вентиль".

Излучение проходит через капилляр слева направо.

В середине - источник паров натрия.

Под действием СИД они распространяются либо влево (вверху), либо вправо (внизу).

Наличие паров натрия фиксируется по желтому свечению.

Буферный газ - аргон.

ПРОЯВЛЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА СИД

В процессе исследования выяснилось: этот эффект интересен не только сам по себе, но и приложениями. Так, на его основе можно измерять коэффициенты диффузии возбужденных атомов и молекул, что раньше было трудно, поскольку не было надежного метода. Экспериментально продемонстрирована применимость эффекта для разделения изотопов, которые, в свою очередь, нужны как для научных, так и практических целей. Наиболее перспективен он для накопления редких короткоживущих изотопов (например, нарабатываемых на ускорителях). Его можно использовать также для регистрации сверхмалых концентраций примесей в газовой среде.

Эффект СИД способен проявиться и в космосе. В роли лазера там служит излучение звезд. Весьма вероятно, что некоторые из наблюдающихся аномалий химического и изотопного состава планет Солнечной системы на раннем этапе ее формирования обусловлены сепарацией газовых компонентов под действием СИД. Известно, скажем, что содержание воды на планетах земной группы меньше по сравнению с нормальным ее содержанием в космосе, причем на Венере воды совсем мало, на Земле больше, а на Марсе****** еще больше. Более же далекие планеты в значительной мере состоят из воды. Существуют отклонения и в отношении содержаний дейтерия и водорода на Венере и Земле: на Земле это отношение на порядок выше, чем на Солнце и на других звездах, а на Венере еще на порядок выше, чем на Земле. Не исключено, что эффект СИД способствовал сепарации водяных паров и созданию аномалии в относительном содержании водорода и дейтерия в протопланетном диске указанных планет на этапе их формирования. На этом этапе Солнце было протозвездой (ядерные реакции еще не включились), нагретой примерно до 1500° и излучающей в инфракрасной области спектра. Значительная энергия излучения приходилась на водяной пар, а спектр его был представлен колебательно-вращательными линиями молекул воды. По нашей концепции это излучение обеспечивает вытеснение водяного пара в протопланетном облаке на периферию за счет эффекта СИД. При этом тяжелая вода не затрагивается, благодаря чему общее содержание воды в ближней окрестности Солнца, где формируются планеты земной группы, уменьшается и параллельно увеличивается доля тяжелой воды.

"Демон Максвелла" с помощью задвижки пропускает в правый сосуд атомы одного сорта, в левый - другого.

С помощью эффекта СИД ту же функцию выполняет излучение, проходящее через канал, соединяющий сосуды.

Космическое вещество практически везде (в звездах, межзвездной среде) представлено химическими элементами в определенной пропорции, причем подавляющая доля приходится на водород и гелий. Такой состав был сформирован процессами нуклеосинтеза на заре существования Вселенной. У некоторых молодых звезд (так называемых химически пекулярных*******) огромны аномалии в химическом и изотопном составе атмосфер. Значит, существуют физические процессы, реализующие сепарацию элементов в их атмосферах. И эффект СИД способен быть одним из главных механизмов такой сепарации.

* Пекулярные звезды отличаются от обычных того же спектрального класса существенными особенностями в спектрах, а иногда и другими свойствами. Причины - аномалии химического состава, наличие сильного магнитного поля и т. д.

** Лазер - источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. Возможность его реализации была обоснована будущими нобелевскими лауреатами Чарлзом Таунсом совместно с Артуром [Павловым (США), а также Николаем Басовым и Александром Прохоровым (СССР) в 1958 г..

*** Когерентность - согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов.

**** За эту работу А. М. Шалагин в 1993 г. удостоен золотой медали имени П. Н. Лебедева РАН.

***** Анизотропия - зависимость свойств среды от направления (в противоположность изотропии).

****** Спин - собственный момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого.

******* См.: М. Литвак, И. Митрофанов. Времена года на Марсе. - Наука в России, 2004, N 4; Э. Галимов. Перспективы планетоведения. - Наука в России, 2004, N 6; И. Митрофанов. Разгадывая марсианские тайны. - Наука в России, 2002, N 6.

Член-корреспондент РАН Анатолий ШАЛАГИН, директор Института автоматики и электрометрии СО РАН (Новосибирск)