Διεγερμένη εκπομπή είναι η διαδικασία με την οποία ένα εισερχόμενο φωτόνιο συγκεκριμένης συχνότητας μπορεί να αλληλεπιδράσει με ένα διεγερμένο ατομικό ηλεκτρόνιο (ή άλλη διεγερμένη μοριακή κατάσταση), προκαλώντας την πτώση του σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Η εκλυόμενη ενέργεια μεταφέρεται στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, δημιουργώντας ένα νέο φωτόνιο με φάση, συχνότητα, πόλωση και κατεύθυνση κίνησης που είναι πανομοιότυπα με τα φωτόνια του προσπίπτοντος κύματος. Και αυτό συμβαίνει σε αντίθεση με την αυθόρμητη ακτινοβολία, η οποία λειτουργεί σε τυχαία διαστήματα, χωρίς να λαμβάνει υπόψη το περιβάλλον ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.
Συνθήκες για τη λήψη διεγερμένης εκπομπής
Η διαδικασία είναι πανομοιότυπη σε μορφή με την ατομική απορρόφηση, στην οποία η ενέργεια του απορροφούμενου φωτονίου προκαλεί μια πανομοιότυπη αλλά αντίθετη ατομική μετάβαση: από χαμηλότερη σευψηλότερο επίπεδο ενέργειας. Σε κανονικά περιβάλλοντα σε θερμική ισορροπία, η απορρόφηση υπερβαίνει την διεγερμένη εκπομπή επειδή υπάρχουν περισσότερα ηλεκτρόνια σε καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας παρά σε καταστάσεις υψηλότερης ενέργειας.
Ωστόσο, όταν υπάρχει αναστροφή πληθυσμού, ο ρυθμός διεγερμένης εκπομπής υπερβαίνει τον ρυθμό απορρόφησης και μπορεί να επιτευχθεί καθαρή οπτική ενίσχυση. Ένα τέτοιο μέσο ενίσχυσης, μαζί με έναν οπτικό συντονιστή, αποτελεί τη βάση ενός λέιζερ ή ενός μέιζερ. Χωρίς μηχανισμό ανάδρασης, οι ενισχυτές λέιζερ και οι πηγές υπερφωταύγειας λειτουργούν επίσης βάσει διεγερμένης εκπομπής.
Ποια είναι η κύρια προϋπόθεση για τη λήψη διεγερμένης εκπομπής;
Τα ηλεκτρόνια και οι αλληλεπιδράσεις τους με τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία είναι σημαντικά για την κατανόηση της χημείας και της φυσικής. Κατά την κλασική άποψη, η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου που περιστρέφεται γύρω από έναν ατομικό πυρήνα είναι μεγαλύτερη για τροχιές μακριά από τον ατομικό πυρήνα.
Όταν ένα ηλεκτρόνιο απορροφά φωτεινή ενέργεια (φωτόνια) ή θερμική ενέργεια (φωνόνια), λαμβάνει αυτό το προσπίπτον κβάντο ενέργειας. Αλλά οι μεταβάσεις επιτρέπονται μόνο μεταξύ διακριτών επιπέδων ενέργειας, όπως τα δύο που φαίνονται παρακάτω. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα γραμμές εκπομπής και απορρόφησης.
Ενεργειακή πτυχή
Στη συνέχεια, θα μιλήσουμε για την κύρια προϋπόθεση για τη λήψη επαγόμενης ακτινοβολίας. Όταν ένα ηλεκτρόνιο διεγείρεται από ένα χαμηλότερο σε ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο, είναι απίθανο να παραμείνει έτσι για πάντα. Ένα ηλεκτρόνιο σε διεγερμένη κατάσταση μπορεί να διασπαστεί σε χαμηλότερη τιμήενεργειακή κατάσταση που δεν είναι κατειλημμένη, σύμφωνα με μια ορισμένη χρονική σταθερά που χαρακτηρίζει αυτή τη μετάβαση.
Όταν ένα τέτοιο ηλεκτρόνιο διασπάται χωρίς εξωτερική επίδραση, εκπέμποντας ένα φωτόνιο, αυτό ονομάζεται αυθόρμητη εκπομπή. Η φάση και η κατεύθυνση που σχετίζονται με ένα εκπεμπόμενο φωτόνιο είναι τυχαίες. Έτσι, ένα υλικό με πολλά άτομα σε τέτοια διεγερμένη κατάσταση μπορεί να οδηγήσει σε ακτινοβολία που έχει στενό φάσμα (με κέντρο γύρω από ένα μόνο μήκος κύματος φωτός), αλλά τα μεμονωμένα φωτόνια δεν θα έχουν κοινές σχέσεις φάσης και θα εκπέμπονται επίσης σε τυχαίες κατευθύνσεις. Αυτός είναι ο μηχανισμός παραγωγής φθορισμού και θερμότητας.
Το εξωτερικό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στη συχνότητα που σχετίζεται με τη μετάβαση μπορεί να επηρεάσει την κβαντομηχανική κατάσταση του ατόμου χωρίς απορρόφηση. Όταν ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο κάνει μετάβαση μεταξύ δύο στατικών καταστάσεων (καμία από τις δύο δεν δείχνει διπολικό πεδίο), εισέρχεται σε μια μεταβατική κατάσταση που έχει διπολικό πεδίο και λειτουργεί σαν ένα μικρό ηλεκτρικό δίπολο που ταλαντώνεται με χαρακτηριστική συχνότητα.
Σε απόκριση σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο σε αυτή τη συχνότητα, η πιθανότητα μετάβασης ηλεκτρονίων σε μια τέτοια κατάσταση αυξάνεται σημαντικά. Έτσι, ο ρυθμός μετάβασης μεταξύ δύο στατικών καταστάσεων υπερβαίνει το μέγεθος της αυθόρμητης εκπομπής. Η μετάβαση από μια κατάσταση υψηλότερης σε χαμηλότερη ενέργεια δημιουργεί ένα πρόσθετο φωτόνιο με την ίδια φάση και κατεύθυνση με το προσπίπτον φωτόνιο. Αυτή είναι η διαδικασία αναγκαστικής εκπομπής.
Άνοιγμα
Η διεγερμένη εκπομπή ήταν η θεωρητική ανακάλυψη του Αϊνστάιν σύμφωνα με την παλιά κβαντική θεωρία, στην οποία η ακτινοβολία περιγράφεται με όρους φωτονίων, τα οποία είναι κβάντα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Τέτοια ακτινοβολία μπορεί επίσης να συμβεί σε κλασικά μοντέλα χωρίς αναφορά σε φωτόνια ή κβαντομηχανική.
Η διεγερμένη εκπομπή μπορεί να μοντελοποιηθεί μαθηματικά δεδομένου ενός ατόμου που μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις δύο καταστάσεις ηλεκτρονικής ενέργειας, μια κατάσταση χαμηλότερου επιπέδου (πιθανώς μια βασική κατάσταση) και μια διεγερμένη κατάσταση, με ενέργειες E1 και E2 αντίστοιχα.
Εάν ένα άτομο βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση, μπορεί να διασπαστεί σε χαμηλότερη κατάσταση μέσω μιας διαδικασίας αυθόρμητης εκπομπής, απελευθερώνοντας τη διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο καταστάσεων ως φωτόνιο.
Εναλλακτικά, εάν ένα άτομο διεγερμένης κατάστασης διαταραχθεί από ένα ηλεκτρικό πεδίο συχνότητας ν0, μπορεί να εκπέμψει ένα επιπλέον φωτόνιο της ίδιας συχνότητας και σε φάση, αυξάνοντας έτσι το εξωτερικό πεδίο, αφήνοντας το άτομο σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως διεγερμένη εκπομπή.
Αναλογικότητα
Η σταθερά της αναλογικότητας B21 που χρησιμοποιείται στις εξισώσεις για τον προσδιορισμό της αυθόρμητης και επαγόμενης εκπομπής είναι γνωστή ως συντελεστής Αϊνστάιν B για τη συγκεκριμένη μετάβαση και ρ(ν) είναι η πυκνότητα ακτινοβολίας του προσπίπτοντος πεδίου στη συχνότητα ν. Έτσι, ο ρυθμός εκπομπής είναι ανάλογος με τον αριθμό των ατόμων στη διεγερμένη κατάσταση N2 και την πυκνότητα των προσπίπτων φωτονίων. Αυτή είναι η ουσίαφαινόμενα διεγερμένης εκπομπής.
Ταυτόχρονα θα λάβει χώρα η διαδικασία της ατομικής απορρόφησης, η οποία αφαιρεί ενέργεια από το πεδίο, ανεβάζοντας τα ηλεκτρόνια από την κατώτερη κατάσταση στην ανώτερη. Η ταχύτητά του καθορίζεται από μια ουσιαστικά πανομοιότυπη εξίσωση.
Έτσι, η καθαρή ισχύς απελευθερώνεται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο ίσο με την ενέργεια ενός φωτονίου h επί αυτού του καθαρού ρυθμού μετάβασης. Για να είναι αυτός ένας θετικός αριθμός, που υποδεικνύει τη συνολική αυθόρμητη και επαγόμενη εκπομπή, πρέπει να υπάρχουν περισσότερα άτομα στη διεγερμένη κατάσταση παρά στο χαμηλότερο επίπεδο.
Διαφορές
Οι ιδιότητες της διεγερμένης εκπομπής σε σύγκριση με τις συμβατικές πηγές φωτός (οι οποίες εξαρτώνται από την αυθόρμητη εκπομπή) είναι ότι τα εκπεμπόμενα φωτόνια έχουν την ίδια συχνότητα, φάση, πόλωση και κατεύθυνση διάδοσης με τα προσπίπτοντα φωτόνια. Έτσι, τα εμπλεκόμενα φωτόνια είναι αμοιβαία συνεκτικά. Επομένως, κατά την αναστροφή, λαμβάνει χώρα οπτική ενίσχυση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας.
Ενεργειακή Αλλαγή
Αν και η ενέργεια που παράγεται από τη διεγερμένη εκπομπή βρίσκεται πάντα στην ακριβή συχνότητα του πεδίου που την διέγειρε, η παραπάνω περιγραφή του υπολογισμού της ταχύτητας ισχύει μόνο για διέγερση σε μια συγκεκριμένη οπτική συχνότητα, την ισχύ της διεγερμένης (ή της αυθόρμητης) η εκπομπή θα μειωθεί σύμφωνα με το καλούμενο σχήμα γραμμής. Λαμβάνοντας υπόψη μόνο την ομοιόμορφη διεύρυνση που επηρεάζει τον ατομικό ή μοριακό συντονισμό, η συνάρτηση σχήματος φασματικής γραμμής περιγράφεται ως κατανομή Lorentz.
Έτσι, η διεγερμένη εκπομπή μειώνεται με αυτόσυντελεστής. Στην πράξη, μπορεί επίσης να λάβει χώρα διεύρυνση σχήματος γραμμής λόγω ανομοιογενούς διεύρυνσης, κυρίως λόγω του φαινομένου Doppler που προκύπτει από την κατανομή των ταχυτήτων στο αέριο σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Αυτό έχει σχήμα Gauss και μειώνει την ισχύ αιχμής της συνάρτησης σχήματος γραμμής. Σε ένα πρακτικό πρόβλημα, η πλήρης συνάρτηση σχήματος γραμμής μπορεί να υπολογιστεί με τη συνένωση των μεμονωμένων συναρτήσεων σχήματος γραμμής.
Η διεγερμένη εκπομπή μπορεί να παρέχει έναν φυσικό μηχανισμό για οπτική ενίσχυση. Εάν μια εξωτερική πηγή ενέργειας διεγείρει περισσότερο από το 50% των ατόμων στη βασική κατάσταση για μετάβαση σε διεγερμένη κατάσταση, τότε δημιουργείται αυτό που ονομάζεται αντιστροφή πληθυσμού.
Όταν φως της κατάλληλης συχνότητας διέρχεται από ένα ανεστραμμένο μέσο, τα φωτόνια είτε απορροφώνται από άτομα που παραμένουν στη θεμελιώδη κατάσταση είτε διεγείρουν τα διεγερμένα άτομα να εκπέμπουν επιπλέον φωτόνια της ίδιας συχνότητας, φάσης και κατεύθυνσης. Δεδομένου ότι υπάρχουν περισσότερα άτομα στη διεγερμένη κατάσταση παρά στη βασική κατάσταση, το αποτέλεσμα είναι μια αύξηση στην ένταση εισόδου.
Απορρόφηση ακτινοβολίας
Στη φυσική, η απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι ο τρόπος με τον οποίο η ενέργεια ενός φωτονίου απορροφάται από την ύλη, συνήθως τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου. Έτσι, η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια μετατρέπεται στην εσωτερική ενέργεια του απορροφητή, όπως η θερμότητα. Η μείωση της έντασης ενός φωτεινού κύματος που διαδίδεται σε ένα μέσο λόγω της απορρόφησης ορισμένων από τα φωτόνια του ονομάζεται συχνά εξασθένηση.
Κανονικά απορρόφηση κυμάτωνδεν εξαρτάται από την έντασή τους (γραμμική απορρόφηση), αν και υπό ορισμένες συνθήκες (συνήθως στην οπτική) το μέσο αλλάζει διαφάνεια ανάλογα με την ένταση των μεταδιδόμενων κυμάτων και την κορεσμένη απορρόφηση.
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να ποσοτικοποιηθεί πόσο γρήγορα και αποτελεσματικά απορροφάται η ακτινοβολία σε ένα δεδομένο περιβάλλον, όπως ο συντελεστής απορρόφησης και ορισμένα στενά συνδεδεμένα μεγέθη παραγώγων.
Συντελεστής εξασθένησης
Διάφορα χαρακτηριστικά συντελεστών εξασθένησης:
- Συντελεστής εξασθένησης, ο οποίος μερικές φορές, αλλά όχι πάντα, είναι συνώνυμος με τον παράγοντα απορρόφησης.
- Μοριακή ικανότητα απορρόφησης ονομάζεται μοριακός συντελεστής εξάλειψης. Είναι η απορρόφηση διαιρούμενη με τη μοριακότητα.
- Ο συντελεστής εξασθένησης μάζας είναι ο συντελεστής απορρόφησης διαιρεμένος με την πυκνότητα.
- Οι διατομές απορρόφησης και σκέδασης σχετίζονται στενά με τους συντελεστές (απορρόφηση και εξασθένηση, αντίστοιχα).
- Η εξαφάνιση στην αστρονομία ισοδυναμεί με τον παράγοντα απόσβεσης.
Σταθερά για εξισώσεις
Άλλα μέτρα απορρόφησης ακτινοβολίας είναι το βάθος διείσδυσης και το φαινόμενο του δέρματος, η σταθερά διάδοσης, η σταθερά εξασθένησης, η σταθερά φάσης και ο αριθμός μιγαδικού κύματος, ο σύνθετος δείκτης διάθλασης και ο συντελεστής εξάλειψης, η σύνθετη διαπερατότητα, η ηλεκτρική ειδική αντίσταση και η αγωγιμότητα.
Απορρόφηση
Απορρόφηση (ονομάζεται επίσης οπτική πυκνότητα) και οπτικήτο βάθος (ονομάζεται επίσης οπτικό πάχος) είναι δύο αλληλένδετα μέτρα.
Όλες αυτές οι ποσότητες μετρούν, τουλάχιστον σε κάποιο βαθμό, πόσο ένα μέσο απορροφά την ακτινοβολία. Ωστόσο, οι επαγγελματίες διαφορετικών τομέων και μεθόδων χρησιμοποιούν συνήθως διαφορετικές τιμές που λαμβάνονται από την παραπάνω λίστα.
Η απορρόφηση ενός αντικειμένου ποσοτικοποιεί πόσο προσπίπτον φως απορροφάται από αυτό (αντί για ανάκλαση ή διάθλαση). Αυτό μπορεί να σχετίζεται με άλλες ιδιότητες του αντικειμένου μέσω του νόμου Beer–Lambert.
Ακριβείς μετρήσεις απορρόφησης σε πολλά μήκη κύματος καθιστούν δυνατό τον εντοπισμό μιας ουσίας χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία απορρόφησης, όπου το δείγμα φωτίζεται από τη μία πλευρά. Μερικά παραδείγματα απορρόφησης είναι η υπεριώδης-ορατή φασματοσκοπία, η υπέρυθρη φασματοσκοπία και η φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων Χ.
Αίτηση
Η κατανόηση και η μέτρηση της απορρόφησης της ηλεκτρομαγνητικής και της επαγόμενης ακτινοβολίας έχει πολλές εφαρμογές.
Όταν διανέμεται, για παράδειγμα, μέσω ραδιοφώνου, παρουσιάζεται εκτός οπτικής επαφής.
Η διεγερμένη εκπομπή λέιζερ είναι επίσης γνωστή.
Στη μετεωρολογία και την κλιματολογία, οι παγκόσμιες και τοπικές θερμοκρασίες εξαρτώνται εν μέρει από την απορρόφηση της ακτινοβολίας από τα αέρια της ατμόσφαιρας (για παράδειγμα, το φαινόμενο του θερμοκηπίου), καθώς και από τις επιφάνειες της γης και των ωκεανών.
Στην ιατρική, οι ακτίνες Χ απορροφώνται σε διάφορους βαθμούς από διαφορετικούς ιστούς (ιδίως τα οστά), κάτι που αποτελεί τη βάση για την ακτινογραφία.
Χρησιμοποιείται επίσης στη χημεία και την επιστήμη των υλικών, ως διαφορετικάυλικά και μόρια απορροφούν ακτινοβολία σε διαφορετικούς βαθμούς σε διαφορετικές συχνότητες, επιτρέποντας την αναγνώριση του υλικού.
Στην οπτική, τα γυαλιά ηλίου, τα έγχρωμα φίλτρα, οι βαφές και άλλα παρόμοια υλικά είναι ειδικά σχεδιασμένα για να λαμβάνουν υπόψη τα ορατά μήκη κύματος που απορροφούν και σε ποιες αναλογίες. Η δομή των γυαλιών εξαρτάται από τις συνθήκες υπό τις οποίες εμφανίζεται η διεγερμένη εκπομπή.
Στη βιολογία, οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί απαιτούν φως του κατάλληλου μήκους κύματος για να απορροφηθεί στην ενεργή περιοχή των χλωροπλαστών. Αυτό είναι απαραίτητο ώστε η φωτεινή ενέργεια να μπορεί να μετατραπεί σε χημική ενέργεια στα σάκχαρα και σε άλλα μόρια.
Είναι γνωστό στη φυσική ότι η περιοχή D της ιονόσφαιρας της Γης απορροφά σημαντικά ραδιοφωνικά σήματα που εμπίπτουν στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα υψηλής συχνότητας και σχετίζονται με επαγόμενη ακτινοβολία.
Στην πυρηνική φυσική, η απορρόφηση της πυρηνικής ακτινοβολίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση των επιπέδων υγρών, της πυκνομετρίας ή των μετρήσεων πάχους.
Οι κύριες εφαρμογές της επαγόμενης ακτινοβολίας είναι οι κβαντικές γεννήτριες, τα λέιζερ, οι οπτικές συσκευές.
