Gestimuleerde emissie is die proses waardeur 'n inkomende foton van 'n sekere frekwensie in wisselwerking kan tree met 'n opgewekte atoomelektron (of ander opgewekte molekulêre toestand), wat veroorsaak dat dit tot 'n laer energievlak daal. Die vrygestelde energie word na die elektromagnetiese veld oorgedra, wat 'n nuwe foton skep met 'n fase, frekwensie, polarisasie en bewegingsrigting wat identies is aan die fotone van die invallende golf. En dit gebeur in teenstelling met spontane bestraling, wat met ewekansige intervalle werk, sonder om die omringende elektromagnetiese veld in ag te neem.
Voorwaardes vir die verkryging van gestimuleerde emissie
Die proses is identies in vorm aan atoomabsorpsie, waarin die energie van die geabsorbeerde foton 'n identiese maar teenoorgestelde atoomoorgang veroorsaak: van laer nahoër energievlak. In normale omgewings in termiese ewewig oorskry absorpsie gestimuleerde emissie omdat daar meer elektrone in laer energietoestande as in hoër energietoestande is.
Wanneer populasie-inversie egter teenwoordig is, oorskry die tempo van gestimuleerde emissie die absorpsietempo en kan suiwer optiese versterking bereik word. So 'n versterkermedium vorm saam met 'n optiese resonator die basis van 'n laser of 'n maser. By gebrek aan 'n terugvoermeganisme werk laserversterkers en superluminescerende bronne ook op die basis van gestimuleerde emissie.
Wat is die hoofvoorwaarde vir die verkryging van gestimuleerde emissie?
Elektrone en hul interaksies met elektromagnetiese velde is belangrik in ons begrip van chemie en fisika. In die klassieke siening is die energie van 'n elektron wat om 'n atoomkern wentel groter vir wentelbane ver van die atoomkern af.
Wanneer 'n elektron ligenergie (fotone) of hitte-energie (fonone) absorbeer, ontvang dit hierdie invallende hoeveelheid energie. Maar oorgange word slegs tussen diskrete energievlakke toegelaat, soos die twee hieronder getoon. Dit lei tot emissie- en absorpsielyne.
Energie-aspek
Volgende sal ons praat oor die hoofvoorwaarde vir die verkryging van geïnduseerde bestraling. Wanneer 'n elektron van 'n laer na 'n hoër energievlak opgewek word, is dit onwaarskynlik dat dit vir ewig so sal bly. 'n Elektron in 'n opgewekte toestand kan tot 'n laer vervalenergietoestand wat nie beset is nie, in ooreenstemming met 'n sekere tydkonstante wat hierdie oorgang kenmerk.
Wanneer so 'n elektron verval sonder eksterne invloed en 'n foton uitstraal, word dit spontane emissie genoem. Die fase en rigting wat met 'n uitgestraalde foton geassosieer word, is ewekansig. Dus kan 'n materiaal met baie atome in so 'n opgewekte toestand lei tot straling wat 'n smal spektrum het (gesentreer rondom 'n enkele golflengte van lig), maar die individuele fotone sal nie gemeenskaplike faseverwantskappe hê nie en sal ook in ewekansige rigtings uitgestraal word. Dit is die meganisme van fluoressensie en hittegenerering.
Eksterne elektromagnetiese veld by die frekwensie wat met die oorgang geassosieer word, kan die kwantummeganiese toestand van die atoom beïnvloed sonder absorpsie. Wanneer 'n elektron in 'n atoom 'n oorgang maak tussen twee stilstaande toestande (wat nie een 'n dipoolveld toon nie), gaan dit in 'n oorgangstoestand wat 'n dipoolveld het en tree op soos 'n klein elektriese dipool wat teen 'n kenmerkende frekwensie ossilleer.
In reaksie op 'n eksterne elektriese veld by hierdie frekwensie, neem die waarskynlikheid van 'n elektronoorgang na so 'n toestand aansienlik toe. Dus, die tempo van oorgange tussen twee stilstaande toestande oorskry die grootte van spontane emissie. Die oorgang van 'n hoër na 'n laer energietoestand skep 'n bykomende foton met dieselfde fase en rigting as die invallende foton. Dit is die gedwonge emissieproses.
Opening
Gestimuleerde emissie was Einstein se teoretiese ontdekking onder die ou kwantumteorie, waarin straling beskryf word in terme van fotone, wat kwanta van die elektromagnetiese veld is. Sulke bestraling kan ook in klassieke modelle voorkom sonder verwysing na fotone of kwantummeganika.
Gestimuleerde emissie kan wiskundig gemodelleer word, gegee 'n atoom wat in een van twee elektroniese energietoestande kan wees, 'n laervlaktoestand (moontlik 'n grondtoestand) en 'n opgewekte toestand, met energieë E1 en E2 onderskeidelik.
As 'n atoom in 'n opgewekte toestand is, kan dit in 'n laer toestand verval deur 'n proses van spontane emissie, wat die energieverskil tussen die twee toestande as 'n foton vrystel.
Alternatiewelik, as 'n opgewekte toestandatoom deur 'n elektriese veld met frekwensie ν0 versteur word, kan dit 'n bykomende foton van dieselfde frekwensie en in fase uitstuur, waardeur die eksterne veld verhoog word, wat die atoom in 'n laer energietoestand laat. Hierdie proses staan bekend as gestimuleerde emissie.
proporsionaliteit
Die konstante van proporsionaliteit B21 wat gebruik word in die vergelykings vir die bepaling van spontane en geïnduseerde emissie staan bekend as die Einstein-koëffisiënt B vir daardie spesifieke oorgang, en ρ(ν) is die stralingsdigtheid van die invallende veld by frekwensie ν. Die emissietempo is dus eweredig aan die aantal atome in die opgewekte toestand N2 en die digtheid van invallende fotone. Dit is die essensieverskynsels van gestimuleerde emissie.
Terselfdertyd sal die proses van atoomabsorpsie plaasvind, wat energie uit die veld verwyder, wat elektrone van die onderste toestand na die boonste een verhoog. Sy spoed word bepaal deur 'n wesenlik identiese vergelyking.
Netto krag word dus vrygestel in 'n elektriese veld gelykstaande aan die energie van 'n foton h maal hierdie netto oorgangstempo. Vir hierdie om 'n positiewe getal te wees, wat die totale spontane en geïnduseerde emissie aandui, moet daar meer atome in die opgewekte toestand wees as in die laer vlak.
Verskille
Die eienskappe van gestimuleerde emissie in vergelyking met konvensionele ligbronne (wat afhanklik is van spontane emissie) is dat die uitgestraalde fotone dieselfde frekwensie, fase, polarisasie en voortplantingsrigting as die invallende fotone het. Die betrokke fotone is dus onderling koherent. Daarom vind optiese versterking van die invallende straling tydens inversie plaas.
Energieverandering
Alhoewel die energie wat deur gestimuleerde emissie gegenereer word altyd op die presiese frekwensie van die veld is wat dit gestimuleer het, is die bogenoemde beskrywing van die spoedberekening slegs van toepassing op opwekking by 'n spesifieke optiese frekwensie, die sterkte van gestimuleerde (of spontaan) emissie sal afneem volgens genoem die lynvorm. Met inagneming van slegs eenvormige verbreding wat atoom- of molekulêre resonansie beïnvloed, word die spektrale lynvormfunksie beskryf as 'n Lorentz-verspreiding.
Daardeur word die gestimuleerde emissie verminderkoëffisiënt. In die praktyk kan lynvormverbreding as gevolg van inhomogene verbreding ook plaasvind, hoofsaaklik as gevolg van die Doppler-effek wat voortspruit uit die verspreiding van snelhede in die gas by 'n sekere temperatuur. Dit het 'n Gaussiese vorm en verminder die pieksterkte van die lynvormfunksie. In 'n praktiese probleem kan die volledige lynvormfunksie bereken word deur die betrokke individuele lynvormfunksies te konvoleer.
Gestimuleerde emissie kan 'n fisiese meganisme vir optiese versterking verskaf. As 'n eksterne bron van energie meer as 50% van die atome in die grondtoestand stimuleer om na 'n opgewekte toestand oor te gaan, dan word wat 'n bevolkingsomkering genoem word, geskep.
Wanneer lig van die gepaste frekwensie deur 'n omgekeerde medium gaan, word fotone óf geabsorbeer deur atome wat in die grondtoestand bly óf stimuleer die opgewekte atome om bykomende fotone van dieselfde frekwensie, fase en rigting uit te straal. Aangesien daar meer atome in die opgewekte toestand as in die grondtoestand is, is die resultaat 'n toename in die insetintensiteit.
Bestralingsabsorpsie
In fisika is die absorpsie van elektromagnetiese straling die manier waarop die energie van 'n foton deur materie geabsorbeer word, gewoonlik die elektrone van 'n atoom. Die elektromagnetiese energie word dus omgeskakel na die interne energie van die absorbeerder, soos hitte. Die afname in die intensiteit van 'n liggolf wat in 'n medium voortplant as gevolg van die absorpsie van sommige van sy fotone word dikwels verswakking genoem.
Normaalweg golfabsorpsieis nie afhanklik van hul intensiteit (lineêre absorpsie), hoewel die medium onder sekere toestande (gewoonlik in optika) deursigtigheid verander na gelang van die intensiteit van oorgedra golwe en versadigbare absorpsie.
Daar is verskeie maniere om te kwantifiseer hoe vinnig en doeltreffend straling in 'n gegewe omgewing geabsorbeer word, soos die absorpsiekoëffisiënt en 'n paar nouverwante afgeleide hoeveelhede.
Dempingsfaktor
Verskeie dempingsfaktorkenmerke:
- Verswakkingsfaktor, wat soms, maar nie altyd nie, sinoniem is met absorpsiefaktor.
- Molêre absorpsiekapasiteit word die molêre uitsterwingskoëffisiënt genoem. Dit is die absorpsie gedeel deur die molariteit.
- Die massa-dempingsfaktor is die absorpsiefaktor gedeel deur die digtheid.
- Die absorpsie- en verstrooiingsdwarssnitte is nou verwant aan die koëffisiënte (onderskeidelik absorpsie en verswakking).
- Uitsterwing in sterrekunde is gelykstaande aan die dempingsfaktor.
Konstante vir vergelykings
Ander maatstawwe van stralingsabsorpsie is penetrasiediepte en veleffek, voortplantingskonstante, verswakkingskonstante, fasekonstante en komplekse golfgetal, komplekse brekingsindeks en uitsterwingskoëffisiënt, komplekse permittiwiteit, elektriese weerstand en geleidingsvermoë.
Absorpsie
Absorpsie (ook genoem optiese digtheid) en optiesdiepte (ook genoem optiese dikte) is twee onderling verwante mates.
Al hierdie hoeveelhede meet, ten minste tot 'n mate, hoeveel 'n medium straling absorbeer. Praktisyns van verskillende velde en metodes gebruik egter gewoonlik verskillende waardes wat uit die lys hierbo geneem is.
Die absorpsie van 'n voorwerp kwantifiseer hoeveel invallende lig daardeur geabsorbeer word (in plaas van refleksie of breking). Dit kan verband hou met ander eienskappe van die voorwerp deur die Beer–Lambert-wet.
Presiese metings van absorpsie by baie golflengtes maak dit moontlik om 'n stof met behulp van absorpsiespektroskopie te identifiseer, waar die monster van een kant af verlig word. 'n Paar voorbeelde van absorpsie is ultraviolet-sigbare spektroskopie, infrarooi spektroskopie en X-straal absorpsie spektroskopie.
Aansoek
Om die absorpsie van elektromagnetiese en geïnduseerde straling te verstaan en te meet het baie toepassings.
Wanneer dit byvoorbeeld per radio versprei word, word dit buite siglyn aangebied.
Die gestimuleerde emissie van lasers is ook bekend.
In meteorologie en klimatologie is globale en plaaslike temperature deels afhanklik van die absorpsie van bestraling deur atmosferiese gasse (byvoorbeeld, die kweekhuiseffek), sowel as land- en seeoppervlaktes.
In medisyne word X-strale in verskillende grade deur verskillende weefsels (veral been) geabsorbeer, wat die basis vir radiografie is.
Word ook in chemie en materiaalwetenskap gebruik, as andersmateriale en molekules sal straling tot verskillende grade by verskillende frekwensies absorbeer, sodat die materiaal geïdentifiseer kan word.
In optika is sonbrille, kleurfilters, kleurstowwe en ander soortgelyke materiale spesiaal ontwerp om in ag te neem watter sigbare golflengtes hulle absorbeer en in watter verhoudings. Die struktuur van glase hang af van die toestande waaronder gestimuleerde emissie voorkom.
In biologie vereis fotosintetiese organismes lig van die gepaste golflengte om in die aktiewe gebied van chloroplaste geabsorbeer te word. Dit is nodig sodat ligenergie binne suikers en ander molekules in chemiese energie omgeskakel kan word.
Dit is bekend in fisika dat die D-streek van die Aarde se ionosfeer radioseine wat in die hoëfrekwensie elektromagnetiese spektrum val, aansienlik absorbeer en met geïnduseerde straling geassosieer word.
In kernfisika kan die absorpsie van kernstraling gebruik word om vloeistofvlakke, densitometrie of diktemetings te meet.
Die hooftoepassings van geïnduseerde bestraling is kwantumopwekkers, lasers, optiese toestelle.
