ಲೇಸರ್ ಗಾಥೆ-ಭಾಗ ೪

ಈವರೆಗಿನ ಸಂಚಿಕೆಗಳಲ್ಲಿ ನಾವು ಅಣುವಿನ ಸೂಕ್ಷ್ಮ ರೂಪ, ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನುಗಳ ಕಕ್ಷೆ, ಮತ್ತು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನೊಂದು ಮೇಲಿನ ಕಕ್ಷೆಯಿಂದ ಕೆಳಗೆ ಜಿಗಿದಾಗ ಏನಾಗುತ್ತದೆ, ಇವೇ ಮುಂತಾದ ವಿದ್ಯಮಾನಗಳನ್ನು ಚರ್ಚಿಸಿದ್ದೇವೆ. ಐನ್ ಸ್ಟೈನ್ ಅವರು ಎತ್ತಿದ ಪ್ರಶ್ನೆ ಹಾಗು ಪ್ರತಿಪಾದಿಸಲು ಹೊರಟ ಹೊಸದೊಂದು ಸಿದ್ಧಾಂತವನ್ನು ಸಾರಾಸಗಟಾಗಿ ತಳ್ಳಿ ಹಾಕಿದ ವಿಜ್ಞಾನಿಗಳ ಸಮುದಾಯ, ಕೆಲವು ಸಮಸ್ಯೆಗಳನ್ನು ಮುಂದಿಟ್ಟಿದ್ದವು. ಐನ್ ಸ್ಟೈನ್ ಅವರು ವಿಜ್ಞಾನಿಗಳ  ವಾದಗಳಿಗೆ ಸಮರ್ಥ ಉತ್ತರವನ್ನು ಕೊಟ್ಟರು. ಈಗ ಅವುಗಳನ್ನು ಒಂದೊಂದಾಗಿ ಅವಲೋಕಿಸೋಣ.

 ಕಕ್ಷೆಯೊಂದರಲ್ಲಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನುಗಳ ಸಂಖ್ಯೆಗಳನ್ನು ಏರುಪೇರು ಮಾಡುವುದು ಉಷ್ಣಗತಿವಿಜ್ಞಾನದ ಪ್ರಕಾರ ಅಸಾಧ್ಯ.

ಅಣುವೊಂದು ಉಷ್ಣಗತಿ ವಿಜ್ಞಾನದ ನಿಯಮವನ್ನು ಯಾವಾಗಲೂ ಪಾಲಿಸಲೇಬೇಕೆಂಬ ನಿಯಮ ಹಾಕಿದರೆ ಮಾತ್ರ  ಅದು ಅಸಾಧ್ಯ ಅಲ್ಲವೇ? ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನು ಆವರೆಗೆ ವಿಜ್ಞಾನಿಗಳು ಹಾಕಿದ ಎಲ್ಲ ನಿಯಮಗಳನ್ನು ಪಾಲಿಸದಿದುರಿಂದಲೇ ಹಳೆಯ ನಿಯಮಗಳನ್ನೆಲ್ಲಾ ಹೊರಗಿಟ್ಟು ಕ್ವಾಂಟಮ್ ವಿಜ್ಞಾನವನ್ನು ಸಿದ್ಧಾಂತಗಳ ಮೂಲಕ ಪ್ರತಿಪಾದಿಸಿ, ಅದರ ಬಲಾಬಲಗಳು ಮತ್ತು ಸತ್ಯಾಸತ್ಯತೆಗಳನ್ನು ಪ್ರಯೋಗಗಳ ಮೂಲಕ  ಓರೆಗೆ ಹಚ್ಚಲಾಯ್ತು. ಕ್ವಾಂಟಮ್ ವಿಜ್ಞಾನದಲ್ಲಿ ಸಂಭಾವ್ಯತೆಯ ಸಿದ್ಧಾಂತಗಳು ಮಹತ್ವದ ಪಾತ್ರ ವಹಿಸುತ್ತವೆ. ಆದ್ದರಿಂದ ಈಗಲೂ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನು ಹಳೆಯ ನಿಯಮಗಳಿಗೆ ಬದ್ಧವಾಗಿರಲೇಬೇಕೆಂದು ವಾದಿಸುವುದು ಸರಿಯಲ್ಲ ಎಂದು ಹೇಳಿದ ಐನ್ ಸ್ಟೈನ್  ಕಕ್ಷೆಗಳಲ್ಲಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನುಗಳ ಸ್ಥಾನಪಲ್ಲಟವಾದಾಗ ಅಣುವು ಪರಿಪೂರ್ಣವಾಗಿ ಉಷ್ಣಗತಿ ವೈಜ್ಞಾನಿಕ ಸಮತೋಲನ ಕಾಪಾಡುವುದಿಲ್ಲ ಎನ್ನುವುದನ್ನು, ಮತ್ತು ಅದೇ ಉಷ್ಣಗತಿಯ ವಿಜ್ಞಾನದ ಆಧಾರದ ಮೇಲೆ ಉದ್ದೀಪಿತ ಉತ್ಸರ್ಜನೆ ಸೈದ್ಧಾಂತಿಕವಾಗಿ ಸಾಧ್ಯ ಎಂದು ಸಂಭಾವ್ಯತೆಯ ಸಮೀಕರಣಗಳ ಮೂಲಕ ಪ್ರತಿಪಾದಿಸಿದರು. ಅಣುವಿನಲ್ಲಿರುವ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನೊಂದು ಉತ್ಸರ್ಜಿತಗೊಂಡು ಮೇಲಿಂದ ಕೆಳಗೆ ಜಿಗಿಯುವ ಸಂಭಾವ್ಯತೆ ಶೂನ್ಯವಲ್ಲವೆಂದು ಐನ್ ಸ್ಟೈನ್ ಪ್ರತಿಪಾದಿಸಿದರು.

 ಮೇಲಿನ ಕಕ್ಷೆಗಳಲ್ಲಿ ಹೆಚ್ಚು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಗಳೂ ಇರೋಲ್ಲ ಅನ್ನೋದು ಬೋಲ್ಟ್ಸ್ ಮನ್ ನಿಯಮ. ಇದು ಪ್ರಾಯೋಗಿಕವಾಗಿ ನಿರೂಪಿತವಾದ ಸತ್ಯ. ಬೆಳಕು ಅವ್ಯಾಹತವಾಗಿ ಬರಬೇಕಾದರೆ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನುಗಳು ಮೇಲಕ್ಕೆ ಹೋಗಿ ಕೆಳಕ್ಕೆ ಬರುತ್ತಿರಬೇಕು. ಇದನ್ನು ಪ್ರಾಯೋಗಿಕವಾಗಿ ಮಾಡುವುದು ಕಷ್ಟಸಾಧ್ಯ.

ಅದು ಸರಿಯೇ.ಈ ನಿಯಮ ಸಂಭಾವ್ಯತೆಯ ಒಂದು ಪರಿಣಾಮ ಮತ್ತು ಅಣುವಿನ ಸಮತೋಲನದ ದೃಷ್ಟಿಯಿಂದ ಬಹು ಮುಖ್ಯ ಕೂಡ. ಆದರೆ, ಯಾವಾಗ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನು ಕೆಳಗಿನ ಕಕ್ಷೆಯಿಂದ ಮೇಲಿನ ಕಕ್ಷೆಗೆ ಹೋಗುತ್ತದೋ ಆಗಲೇ ಆ ಅಣುವು ತನ್ನ ಸಮತೋಲನವನ್ನು ಕಳೆದುಕೊಳ್ಳುತ್ತದೆ.  ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನು ಮೇಲಿಂದ ಕೆಳಗೆ ಬೀಳುವುದು ಸಹಜಕ್ರಿಯೆ, ಮತ್ತು ಈ ಕ್ರಿಯೆ ಅಣುವು ತನ್ನ ಸಮತೋಲನವನ್ನು ಕಾಪಾಡಿಕೊಳ್ಳಲು ಮಾಡುವ ಪ್ರಯತ್ನ ಕೂಡ.ನಮ್ಮ ಕೆಲಸ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನುಗಳನ್ನು ಅವ್ಯಾಹತವಾಗಿ ಕೆಳಗಿಂದ ಮೇಲಕ್ಕೆ ಕಳಿಸುತ್ತಿರುವುದು. ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನುಗಳು ಮೇಲಿಂದ ಕೆಳಕ್ಕೆ ಜಿಗಿದರೂ ಸಹ ಮತ್ತೆ ಮೇಲಕ್ಕೆ ಕಳಿಸುತ್ತಲೇ ಇರಬೇಕು. ಮೇಲಿನ ಕಕ್ಷೆಗಳಲ್ಲಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನುಗಳ ಸಂಖ್ಯೆಯನ್ನು ಹೆಚ್ಚು ಮಾಡುವ ಈ ವಿದ್ಯಮಾನವನ್ನು ಸಮಷ್ಟಿ ಪ್ರತಿಲೋಮನ(Population Inversion) ಎಂದು ಕರೆಯುತ್ತಾರೆ. ಸಮಷ್ಟಿ ಪ್ರತಿಲೋಮನವನ್ನು ಸಾಧ್ಯವಾಗಿಸುವ ಕ್ರಿಯೆ- ಅಂದರೆ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನುಗಳನ್ನು ಅವ್ಯಾಹತವಾಗಿ ಮೇಲಕ್ಕೆ ಕಳಿಸುವ ಕ್ರಿಯೆಯೇ Optical pumping.

ನಾವು ಶಾಖ/ಬೆಳಕು ನೀಡಿದಾಗ ಮೇಲೆ ಇರುವ ಅತಿ ಕಡಿಮೆ ಸಂಖ್ಯೆಯ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನುಗಳು ಮತ್ತೆ ಮೇಲೆ ಹೋಗಲ್ಲ.
ನಮಗದು ಬೇಕೇ ಆಗಿಲ್ಲವಲ್ಲ ! ಹಿಂದಿನ ಸಂಚಿಕೆಯಲ್ಲಿ ನಾನು E=hv ಎಂಬ ಸಮೀಕರಣದ ಬಗ್ಗೆ ಮಾತಾಡಿದ್ದೆ. ಈಗ ಮತ್ತೆ ಮಾತಾಡೋಣ. v ಎಂದರೆ ಕಂಪನಾಂಕ(frequency). ನಮ್ಮ ಕಣ್ಣಿಗೆ  ಕಾಣುವ ಬೆಳಕಿನ ಕಂಪನಾಂಕದ ಪರಿಧಿ 4-7.5x10^14 Hz. ಅಂದರೆ ನಾವು ಅಣುವೊಂದಕ್ಕೆ ನೀಡಬೇಕಾದ ಶಕ್ತಿಯ ಪರಿಧಿ 1.65-3.1eV(*). ನಾವೇನಾದರೂ ಅಣುವೊಂದಕ್ಕೆ ಇದಕ್ಕಿಂತ ಹೆಚ್ಚು ಶಕ್ತಿ ನೀಡಿದೆವೆಂದರೆ ನಮಗೆ ಹೊರಬರುವ ಲೇಸರ್ ಬೆಳಕು ಅಗೋಚರವಾಗಿಬಿಡುತ್ತದೆ. ಆದ್ದರಿಂದ ಅಣುವೊಂದರಲ್ಲಿ ಇರುವ ಹಲವಾರು ಕಕ್ಷೆಗಳಲ್ಲಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನು ಯಾವ ಕಕ್ಷೆಯಿಂದ ಯಾವ ಕಕ್ಷೆಗೆ ಜಿಗಿದರೆ ದೃಗ್ಗೋಚರ ಬೆಳಕು ಸಿಗುವುದೋ ಅಂಥಾ ಕಕ್ಷೆಯಲ್ಲಿರುವ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನುಗಳನ್ನು ಮಾತ್ರ ನಾವು Optical pumping  ಮೂಲಕ ಮೇಲಕ್ಕೆ ಕಳಿಸಿ ಸಮಷ್ಟಿ ಪ್ರತಿಲೋಮನವನ್ನು ಸಾಧ್ಯವಾಗಿಸಬೇಕು. ಸಮಷ್ಟಿ ಪ್ರತಿಲೋಮನವಾದಾಗ ನಾವು E=hv ಸಮೀಕರಣದ ಪ್ರಕಾರ ಸರಿಯಾದ ಶಕ್ತಿ ನೀಡಿದರೆ, ಹಿಂದಿನ ಸಂಚಿಕೆಯಲ್ಲಿ ವಿವರಿಸಿದಂತೆ ಉದ್ದೀಪಿತ ಉತ್ಸರ್ಜನೆಯುಂಟಾಗಿ, ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನು ಕೆಳಗೆ ಧುಮುಕಿ ಜ್ಯೋತಿಕಣವೊಂದನ್ನು ಉತ್ಪತ್ತಿ ಮಾಡುತ್ತದೆ. ನೆನಪಿರಲಿ, ನಾವು ನೀಡುವ ಶಕ್ತಿಯೂ ಜ್ಯೋತಿಕಣದ ಮೂಲಕವೇ. ಆದ್ದರಿಂದ ಆ ಜ್ಯೋತಿಕಣವೂ ಈ ಜ್ಯೋತಿಕಣವೂ ಸೇರಿ ಒಟ್ಟು ಎರಡು ಜ್ಯೋತಿಕಣಗಳಾದವು. ಇದನ್ನೇ ಪ್ರವರ್ಧನೆ [amplification]ಎನ್ನುವುದು.[ಚಿತ್ರಗಳಿಗಾಗಿ ಹಿಂದಿನ ಸಂಚಿಕೆಯನ್ನು ನೋಡುವುದು].ಇದೇ ಲೇಸರ್ ಉತ್ಪತ್ತಿಯ ಜೀವಾಳ.

ಇದೆಲ್ಲಾ ಸಿದ್ಧಾಂತಗಳ ಮಾತಾಯ್ತು. Optical pumping ಮತ್ತು ಸಮಷ್ಟಿ ಪ್ರತಿಲೋಮನವು ನಿಜವಾಗಲೂ ಸಾಧ್ಯವಾದದ್ದು ಹೇಗೆ ? ಅದನ್ನು ಮೊದಲು ಪ್ರಾಯೋಗಿಕವಾಗಿ ಜಗತ್ತಿಗೆ ತೋರಿಸಿಕೊಟ್ಟವರು ಯಾರು ? ಲೇಸರ್ ಅನ್ನು ಕಂಡು ಹಿಡಿದವರು ಯಾರು ? ಈ ಪ್ರಶ್ನೆಗೆ ಉತ್ತರವನ್ನು ಮುಂದಿನ ಸಂಚಿಕೆಯಲ್ಲಿ ತಿಳಿದುಕೊಳ್ಳೋಣ.