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, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.