Рубин. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Рубин - кристалл А1₂O₃ (корунд) с небольшой добавкой ионов Сr³⁺, замещающих в кристаллич. решётке корунда ионы А1 и окрашивающих корунд в красный цвет (от розового до малиново-красного в зависимости от концентрации Сг). Темп-pa плавления 2050°С. По механич. свойствам Р. близок к корунду (одному из самых твёрдых минералов). Первоначальное применение в технике получил как материал для часовых подшипников; производство искусств. Р. вначале было налажено для нужд часовой промышленности. В квантовой электронике Р. с 1958 используют в качестве активного вещества в квантовых усилителям и твердотельных лазерах. Применение Р. в квантовой электронике связано с особенностями спектра Сr³⁺ и с механич. прочностью.

Уровни энергии иона Сr³⁺ в кристаллич. решётке корунда отличаются от уровней свободного иона Сr³⁺. Внутрикристаллическое поле Е_кр и дефекты кристаллич. решётки (в т. ч. механич. напряжения и тепловые колебания ионов) «размывают» уровни энергии Сr (рис. 1). Нек-рые уровни, напр.

превращаются в полосы. На положение др. уровней (напр.,

) электрич. поле влияет слабее, и их уширение незначительно. Переходы с основного уровня

на широкие полосы

соответствуют поглощению зелёного и фиолетового света. Переходы с

на узкие уровни

не оказывают влияния на окраску кристалла, т. к. красный свет практически не поглощается. Т. о., положение и ширина полос поглощения

определяют красный цвет Р.

Рис. 1. Схема энергетических уровней иона Сr³⁺ в рубине.

Рис. 2. Расщепление уровней иона Сr³⁺ в рубине в магнитном поле, направление котооого параллельно кристаллографической оси кристалла и составляет с ней углы 54,7° и 90°.

При обычных темп-pax практически все ионы Сг³⁺находятся на двух нижних уровнях

, отличаясь величиной проекции магн. момента на направление поля E_кр. Частота перехода между ними v=11,9 ГГц. Каждый уровень иона Сr³⁺ в Р. дважды вырожден (противоположные знаки проекции магн. момента иона на Е_кр). Магн. поле Н дополнительно расщепляет каждый из уровней

на 2, величина расщепления зависит от величины поля Н и его ориентации относительно крис-таллографич. оси кристалла (рис. 2; см. Зеемана эффект ).Т. о., в Р., находящемся в пост, поле Я, образуются 4 уровня, переходы между к-рыми находятся в диапазоне СВЧ. Благодаря этому Р. может быть использован как трёхуровневая система в квантовых парамагн. усилителях. Применение Р. в квантовых усилителях обусловлено также большим временем его спин-решёточной релаксации при низких темп-pax и, следовательно, малой потребляемой мощностью накачки.

В лазере оптич. диапазона Р. накачивается светом от мощной лампы с широким спектром излучения, соответствующим переходам с уровней

, на полосы

. Подавляющее большинство возбуждённых ионов отдаёт часть своей энергии тепловым колебаниям кристалла и переходит на уровни

, к-рые не заселены при комнатной температуре. Время жизни ионов на уровнях

достаточно велико (3,5 мс), и большинство ионов скапливается на них. При достаточно мощной накачке уменьшение населённостей уровней

и обогащение населённостей уровней

приводит к инверсии населённостей уровней

и,следовательно, к генерации света с длиной волны

(рис. 1), что соответствует красному свету (см. Твердотельный лазер).

Рис. 3. Выращивание рубина по методу Вернейля. Смесь А1₂О₃ и Сr₂О₃ в виде пудры сыплется сверху на выращиваемый кристалл, верхняя кромка которого находится в пламени горелки с температурой 2050 °С, достаточной для плавления рубина. Кристалл постепенно опускают, и расплавленный слой смеси, выходя из пламени, кристаллизуется.

Искусств. монокристаллы Р. выращиваются обычно по методу Вернейля в кислородно-водородном пламени (рис. 3; см. также Монокристаллов выращивание ).Удаётся получить монокристаллы Р. в виде стержней диаметром до 5 см и метровой длины.

Литература по рубину

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.