Для усиления и генерирования электромагнитных колебаний наряду с электровакуумными и полупроводниковыми приборами используются квантовые приборы, действие которых основано на взаимодействии электромагнитного поля с микрочастицами вещества (например, атомами, молекулами, ионами). С помощью квантовых приборов удалось решить ряд важных радиотехнических задач:
- усиление очень слабых сигналов СВЧ, которые невозможно выделить из собственных шумов в других типах приборов;
- генерация электромагнитных колебаний СВЧ, обладающих чрезвычайно высокой стабильностью частоты, недостижимой при использовании других приборов;
- генерация когерентных электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне, в котором не могут работать электронные приборы.
Усиление электромагнитных колебаний в квантовых приборах происходит за счет внутренней энергии микрочастиц, которая передается ими электромагнитному полю при переходах между энергетическими уровнями.
Структура энергетического спектра микрочастицы (относительное расположение энергетических уровней) зависит как от ее внутренних свойств, так и от условий, в которых она находится: наличия соседних микрочастиц, электрического и магнитного полей; температуры окружающей среды и т.п. Структура энергетического спектра ансамбля (совокупности) слабо взаимодействующих между собой микрочастиц близка к структуре энергетического спектра изолированной микрочастицы.
Некоторому значению энергии может соответствовать одно или несколько состояний микрочастицы. Для описания состояний микрочастицы вводятся квантовые числа. Они характеризуют угловой механический момент атома (квантовое число J), магнитный момент атома (магнитное квантовое число mJ ) и т.д. Если одному и тому же значению энергии атома соответствуют различные состояния, отличающиеся друг от друга значениями описывающих их квантовых чисел, то такой уровень называется вырожденным. Число различных состояний, соответствующих вырожденному уровню, характеризуется кратностью вырождения этого уровня.
Если микрочастица испытывает воздействие, например, магнитного поля, то вырожденные состояния в новых условиях могут различаться своими энергиями. В этом заключается явление расщепления вырожденного уровня на несколько подуровней с различными энергиями (снятие вырождения).
Так как в квантовых приборах используются не изолированные микрочастицы, а их ансамбли в виде газов, кристаллических или стеклянных образцов и др., то необходимо знать населенности различных уровней. Под населенностью уровня понимается количество микрочастиц в 1 см3 вещества с энергией, соответствующей этому уровню. Населенность ni0i-го невырожденного уровня ансамбля из N микрочастиц при термодинамическом равновесии (под термодинамическим равновесием понимается состояние системы, которая не взаимодействует с окружающей средой и параметры которой не зависят от времени) определяется законом Больцмана
(1.1)
где Wi – энергия i-го уровня; k = 1,38×10-23 (Дж/К) - постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура. Индекс 0 в обозначении населенности указывает, что она относится к состоянию термодинамического равновесия. Суммирование в формуле (1.1) проводится по всем уровням рассматриваемого ансамбля микрочастиц.
Из приведенной формулы следует, что чем выше энергия уровня, тем меньше его населенность. Отношение населенности двух энергетических уровней j и i (Wj > Wi) равно
(1.2)
На рис. 1.1 показан график равновесного распределения населенностей для некоторого числа дискретных уровней ансамбля микрочастиц. По оси ординат откладываются значения энергии W, а по оси абсцисс – населенности уровней n. Здесь же пунктиром показано другое равновесное распределение населенностей у той же самой системы микрочастиц, но при другой температуре Т2 > Т1. Из рис. 1.1 и формулы (1.2) видно, что с возрастанием температуры увеличивается населенность верхних энергетических уровней за счет уменьшения населенности нижних уровней.
W
Wj T2>T1
Wi T1
0 n
Рис. 1.1. Распределение населенностей для некоторого числа дискретных уровней ансамбля микрочастиц
(1.1)
(1.2)
Wj T2>T1
Wi T1 
0 n