Emisia stimulată este procesul prin care un foton de intrare de o anumită frecvență poate interacționa cu un electron atomic excitat (sau altă stare moleculară excitată), determinând-o să scadă la un nivel de energie mai scăzut. Energia eliberată este transferată în câmpul electromagnetic, creând un nou foton cu o fază, frecvență, polarizare și direcție de mișcare care sunt identice cu fotonii undei incidente. Și acest lucru se întâmplă în contrast cu radiația spontană, care funcționează la intervale aleatorii, fără a ține cont de câmpul electromagnetic din jur.
Condiții pentru obținerea emisiilor stimulate
Procesul este identic ca formă cu absorbția atomică, în care energia fotonului absorbit determină o tranziție atomică identică, dar opusă: de la inferior lanivel energetic mai ridicat. În medii normale în echilibru termic, absorbția depășește emisia stimulată, deoarece există mai mulți electroni în stări de energie mai scăzută decât în stări de energie mai mare.
Cu toate acestea, atunci când este prezentă inversarea populației, rata de emisie stimulată depășește rata de absorbție și se poate obține o amplificare optică pură. Un astfel de mediu de amplificare, împreună cu un rezonator optic, formează baza unui laser sau a unui maser. În lipsa unui mecanism de feedback, amplificatoarele laser și sursele superluminiscente funcționează, de asemenea, pe baza emisiei stimulate.
Care este principala condiție pentru obținerea unei emisii stimulate?
Electronii și interacțiunile lor cu câmpurile electromagnetice sunt importanți în înțelegerea noastră a chimiei și fizicii. În viziunea clasică, energia unui electron care se rotește în jurul unui nucleu atomic este mai mare pentru orbitele aflate departe de nucleul atomic.
Când un electron absoarbe energie luminoasă (fotoni) sau energie termică (fononi), primește acest cuantum incident de energie. Dar tranzițiile sunt permise doar între niveluri de energie discrete, cum ar fi cele două prezentate mai jos. Acest lucru are ca rezultat linii de emisie și absorbție.
Aspect energetic
În continuare, vom vorbi despre condiția principală pentru obținerea radiațiilor induse. Când un electron este excitat de la un nivel de energie inferior la unul mai în alt, este puțin probabil să rămână așa pentru totdeauna. Un electron aflat într-o stare excitată se poate degrada la un nivel inferiorstare de energie care nu este ocupată, în conformitate cu o anumită constantă de timp care caracterizează această tranziție.
Când un astfel de electron se descompune fără influență externă, emițând un foton, aceasta se numește emisie spontană. Faza și direcția asociate cu un foton emis sunt aleatorii. Astfel, un material cu mulți atomi într-o astfel de stare excitată poate avea ca rezultat o radiație care are un spectru îngust (centrat în jurul unei singure lungimi de undă a luminii), dar fotonii individuali nu vor avea relații comune de fază și vor fi, de asemenea, emiși în direcții aleatorii. Acesta este mecanismul de generare a fluorescenței și a căldurii.
Câmpul electromagnetic extern la frecvența asociată cu tranziția poate afecta starea mecanică cuantică a atomului fără absorbție. Când un electron dintr-un atom face o tranziție între două stări staționare (niciuna dintre ele nu prezintă un câmp dipol), acesta intră într-o stare de tranziție care are un câmp dipol și acționează ca un mic dipol electric care oscilează la o frecvență caracteristică.
Ca răspuns la un câmp electric extern la această frecvență, probabilitatea unei tranziții de electroni la o astfel de stare crește semnificativ. Astfel, rata tranzițiilor între două stări staționare depășește magnitudinea emisiei spontane. Tranziția de la o stare de energie superioară la una mai joasă creează un foton suplimentar cu aceeași fază și direcție ca fotonul incident. Acesta este procesul de emisie forțată.
Deschidere
Emisia stimulată a fost descoperirea teoretică a lui Einstein sub vechea teorie cuantică, în care radiația este descrisă în termeni de fotoni, care sunt cuante ale câmpului electromagnetic. O astfel de radiație poate apărea și în modelele clasice fără referire la fotoni sau mecanica cuantică.
Emisia stimulată poate fi modelată matematic având în vedere un atom care poate fi într-una dintre cele două stări de energie electronică, o stare de nivel inferior (posibil o stare fundamentală) și o stare excitată, cu energiile E1 și, respectiv, E2.
Dacă un atom este într-o stare excitată, acesta poate dezintegra într-o stare inferioară printr-un proces de emisie spontană, eliberând diferența de energie dintre cele două stări sub formă de foton.
În mod alternativ, dacă un atom în stare excitată este perturbat de un câmp electric de frecvență ν0, acesta poate emite un foton suplimentar de aceeași frecvență și în fază, crescând astfel câmpul extern, lăsând atomul într-o stare de energie mai scăzută.. Acest proces este cunoscut sub numele de emisie stimulată.
Proporționalitate
Constanta de proporționalitate B21 utilizată în ecuațiile pentru determinarea emisiei spontane și induse este cunoscută ca coeficientul Einstein B pentru acea tranziție particulară, iar ρ(ν) este densitatea de radiație a câmpului incident la frecvența ν. Astfel, rata de emisie este proporțională cu numărul de atomi în starea excitată N2 și cu densitatea fotonilor incidenti. Aceasta este esențafenomene de emisie stimulată.
În același timp, va avea loc și procesul de absorbție atomică, care elimină energia din câmp, ridicând electroni din starea inferioară în cea superioară. Viteza sa este determinată de o ecuație în esență identică.
Astfel, puterea netă este eliberată într-un câmp electric egal cu energia unui foton h ori această viteză netă de tranziție. Pentru ca acesta să fie un număr pozitiv, care indică emisia totală spontană și indusă, trebuie să existe mai mulți atomi în starea excitată decât la nivelul inferior.
Diferențe
Proprietățile emisiei stimulate în comparație cu sursele convenționale de lumină (care depind de emisia spontană) este că fotonii emiși au aceeași frecvență, fază, polarizare și direcție de propagare ca și fotonii incidenti. Astfel, fotonii implicați sunt reciproc coerenți. Prin urmare, în timpul inversării, are loc amplificarea optică a radiației incidente.
Schimbarea energiei
Deși energia generată de emisia stimulată este întotdeauna la frecvența exactă a câmpului care a stimulat-o, descrierea de mai sus a calculului vitezei se aplică doar excitației la o anumită frecvență optică, puterea stimulată (sau spontană) emisia va scădea conform numitei forme de linie. Luând în considerare doar extinderea uniformă care afectează rezonanța atomică sau moleculară, funcția de formă a liniei spectrale este descrisă ca o distribuție Lorentz.
Astfel, emisia stimulată este redusă prin aceastacoeficient. În practică, poate avea loc și lărgirea formei liniilor din cauza lărgirii neomogene, în primul rând datorită efectului Doppler rezultat din distribuția vitezelor în gaz la o anumită temperatură. Acesta are o formă gaussiană și reduce puterea de vârf a funcției de formă a liniei. Într-o problemă practică, funcția de formă de linie completă poate fi calculată prin convoluția funcțiilor individuale de formă de linie implicate.
Emisia stimulată poate oferi un mecanism fizic pentru amplificarea optică. Dacă o sursă externă de energie stimulează mai mult de 50% dintre atomii din starea fundamentală să treacă la o stare excitată, atunci se creează ceea ce se numește inversiune a populației.
Când lumina cu frecvența corespunzătoare trece printr-un mediu inversat, fotonii sunt fie absorbiți de atomii care rămân în starea fundamentală, fie stimulează atomii excitați să emită fotoni suplimentari de aceeași frecvență, fază și direcție. Deoarece există mai mulți atomi în starea excitată decât în starea fundamentală, rezultatul este o creștere a intensității de intrare.
Absorbția radiațiilor
În fizică, absorbția radiației electromagnetice este modul în care energia unui foton este absorbită de materie, de obicei electronii unui atom. Astfel, energia electromagnetică este convertită în energia internă a absorbantului, cum ar fi căldura. Scăderea intensității unei unde luminoase care se propagă într-un mediu datorită absorbției unora dintre fotonii săi este adesea numită atenuare.
În mod normal, absorbția undelornu depinde de intensitatea acestora (absorbție liniară), deși în anumite condiții (de obicei în optică) mediul își schimbă transparența în funcție de intensitatea undelor transmise și de absorbția saturabilă.
Există mai multe moduri de a cuantifica cât de rapid și eficient este absorbită radiația într-un anumit mediu, cum ar fi coeficientul de absorbție și unele cantități derivate strâns legate.
Factor de atenuare
Ceva caracteristici ale factorilor de atenuare:
- Factor de atenuare, care uneori, dar nu întotdeauna, este sinonim cu factorul de absorbție.
- Capacitatea de absorbție molară se numește coeficient de extincție molară. Este absorbanța împărțită la molaritate.
- Factorul de atenuare a masei este factorul de absorbție împărțit la densitate.
- Secțiunile transversale de absorbție și împrăștiere sunt strâns legate de coeficienți (absorbție și, respectiv, atenuare).
- Extincția în astronomie este echivalentă cu factorul de amortizare.
Constant pentru ecuații
Alte măsuri de absorbție a radiațiilor sunt adâncimea de penetrare și efectul pielii, constanta de propagare, constanta de atenuare, constanta de fază și numărul de undă complex, indicele complex de refracție și coeficientul de extincție, permittivitatea complexă, rezistivitate și conductivitate electrică.
Absorbție
Absorbție (numită și densitate optică) și opticăadâncimea (numită și grosime optică) sunt două măsuri interdependente.
Toate aceste mărimi măsoară, cel puțin într-o oarecare măsură, cât de mult absoarbe radiația un mediu. Cu toate acestea, practicienii din diferite domenii și metode folosesc de obicei valori diferite luate din lista de mai sus.
Absorbția unui obiect cuantifică cât de multă lumină incidentă este absorbită de acesta (în loc de reflexie sau refracție). Acest lucru poate fi legat de alte proprietăți ale obiectului prin legea Beer–Lambert.
Măsurătorile precise ale absorbanței la multe lungimi de undă fac posibilă identificarea unei substanțe folosind spectroscopie de absorbție, unde proba este iluminată dintr-o parte. Câteva exemple de absorbție sunt spectroscopia ultravioletă-vizibilă, spectroscopia în infraroșu și spectroscopia de absorbție cu raze X.
Aplicație
Înțelegerea și măsurarea absorbției radiațiilor electromagnetice și induse are multe aplicații.
Când este distribuit, de exemplu, prin radio, este prezentat în afara razei vizuale.
Emisia stimulată de lasere este, de asemenea, binecunoscută.
În meteorologie și climatologie, temperaturile globale și locale depind parțial de absorbția radiațiilor de către gazele atmosferice (de exemplu, efectul de seră), precum și de suprafețele terestre și oceanice.
În medicină, razele X sunt absorbite în diferite grade de diferite țesuturi (în special, osul), care stă la baza radiografiei.
Folosit și în chimie și știința materialelor, ca fiind diferitmaterialele și moleculele vor absorbi radiația în grade diferite la frecvențe diferite, permițând identificarea materialului.
În optică, ochelarii de soare, filtrele de culoare, coloranții și alte materiale similare sunt special concepute pentru a ține cont de ce lungimi de undă vizibile absorb și în ce proporții. Structura ochelarilor depinde de condițiile în care apare emisia stimulată.
În biologie, organismele fotosintetice necesită lumină cu lungimea de undă adecvată pentru a fi absorbită în regiunea activă a cloroplastelor. Acest lucru este necesar pentru ca energia luminii să poată fi convertită în energie chimică în zaharuri și alte molecule.
În fizică se știe că regiunea D a ionosferei Pământului absoarbe în mod semnificativ semnalele radio care intră în spectrul electromagnetic de în altă frecvență și sunt asociate cu radiațiile induse.
În fizica nucleară, absorbția radiației nucleare poate fi utilizată pentru a măsura nivelurile de lichid, densitometrie sau măsurători de grosime.
Principalele aplicații ale radiațiilor induse sunt generatoarele cuantice, laserele, dispozitivele optice.
