სტიმულირებული ემისია არის პროცესი, რომლის დროსაც გარკვეული სიხშირის შემომავალ ფოტონს შეუძლია ურთიერთქმედება აღგზნებულ ატომურ ელექტრონთან (ან სხვა აღგზნებულ მოლეკულურ მდგომარეობასთან), რაც იწვევს მის დაცემას ენერგიის დაბალ დონეზე. გამოთავისუფლებული ენერგია გადაეცემა ელექტრომაგნიტურ ველს, იქმნება ახალი ფოტონი ფაზა, სიხშირე, პოლარიზაცია და მოძრაობის მიმართულება, რომლებიც იდენტურია ინციდენტის ტალღის ფოტონების. და ეს ხდება სპონტანური გამოსხივებისგან განსხვავებით, რომელიც მუშაობს შემთხვევითი ინტერვალებით, გარემომცველი ელექტრომაგნიტური ველის გათვალისწინების გარეშე.
პირობები სტიმულირებული ემისიის მისაღებად
პროცესი ფორმაში იდენტურია ატომური შთანთქმის, რომლის დროსაც აბსორბირებული ფოტონის ენერგია იწვევს იდენტურ, მაგრამ საპირისპირო ატომურ გადასვლას: ქვედადანუფრო მაღალი ენერგიის დონე. ნორმალურ გარემოში თერმული წონასწორობის პირობებში, შთანთქმა აღემატება სტიმულირებულ ემისიას, რადგან უფრო მეტი ელექტრონია დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობებში, ვიდრე მაღალ ენერგეტიკულ მდგომარეობებში.
თუმცა, როდესაც არსებობს პოპულაციის ინვერსია, სტიმულირებული ემისიის სიჩქარე აღემატება შთანთქმის სიჩქარეს და შეიძლება მიღწეული იყოს სუფთა ოპტიკური გაძლიერება. ასეთი გამაძლიერებელი საშუალება, ოპტიკურ რეზონატორთან ერთად, ქმნის ლაზერის ან მასერის საფუძველს. უკუკავშირის მექანიზმის არარსებობის გამო, ლაზერული გამაძლიერებლები და სუპერლუმინესცენტური წყაროები ასევე მოქმედებენ სტიმულირებული ემისიის საფუძველზე.
რა არის სტიმულირებული ემისიის მიღების მთავარი პირობა?
ელექტრონები და მათი ურთიერთქმედება ელექტრომაგნიტურ ველებთან მნიშვნელოვანია ქიმიისა და ფიზიკის ჩვენს გაგებაში. კლასიკური შეხედულებით, ატომის ბირთვის გარშემო მოძრავი ელექტრონის ენერგია უფრო დიდია ატომის ბირთვიდან შორს ორბიტებისთვის.
როდესაც ელექტრონი შთანთქავს სინათლის ენერგიას (ფოტონებს) ან სითბურ ენერგიას (ფონონებს), ის იღებს ენერგიის ამ ინციდენტურ კვანტს. მაგრამ გადასვლები დასაშვებია მხოლოდ დისკრეტულ ენერგეტიკულ დონეებს შორის, როგორიცაა ქვემოთ ნაჩვენები ორი. ეს იწვევს ემისიის და შთანთქმის ხაზებს.
ენერგეტიკული ასპექტი
შემდეგ ვისაუბრებთ ინდუცირებული გამოსხივების მიღების ძირითად პირობაზე. როდესაც ელექტრონი აღგზნებულია დაბალიდან უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე, ნაკლებად სავარაუდოა, რომ ის სამუდამოდ ასე დარჩეს. აღგზნებულ მდგომარეობაში მყოფ ელექტრონს შეუძლია დაქვეითდესენერგეტიკული მდგომარეობა, რომელიც არ არის დაკავებული, გარკვეული დროის მუდმივის შესაბამისად, რომელიც ახასიათებს ამ გადასვლას.
როდესაც ასეთი ელექტრონი იშლება გარეგანი გავლენის გარეშე, ასხივებს ფოტონს, ამას სპონტანური ემისია ეწოდება. ემიტირებული ფოტონთან დაკავშირებული ფაზა და მიმართულება შემთხვევითია. ამრიგად, მასალას, რომელსაც აქვს მრავალი ატომი ასეთ აღგზნებულ მდგომარეობაში, შეიძლება გამოიწვიოს რადიაცია, რომელსაც აქვს ვიწრო სპექტრი (ცენტრირებულია სინათლის ერთი ტალღის სიგრძის გარშემო), მაგრამ ცალკეულ ფოტონებს არ ექნებათ საერთო ფაზური ურთიერთობები და ასევე გამოიყოფა შემთხვევითი მიმართულებებით. ეს არის ფლუორესცენციის და სითბოს წარმოქმნის მექანიზმი.
გარე ელექტრომაგნიტურ ველს გადასვლასთან დაკავშირებული სიხშირეზე შეუძლია გავლენა მოახდინოს ატომის კვანტურ მექანიკურ მდგომარეობაზე შთანთქმის გარეშე. როდესაც ატომში ელექტრონი გადადის ორ სტაციონარულ მდგომარეობას შორის (არც ერთი არ აჩვენებს დიპოლურ ველს), ის გადადის გარდამავალ მდგომარეობაში, რომელსაც აქვს დიპოლური ველი და მოქმედებს როგორც პატარა ელექტრული დიპოლი, რომელიც რხევა დამახასიათებელ სიხშირეზე.
ამ სიხშირეზე გარე ელექტრული ველის საპასუხოდ, ელექტრონის ასეთ მდგომარეობაში გადასვლის ალბათობა მნიშვნელოვნად იზრდება. ამრიგად, ორ სტაციონარულ მდგომარეობას შორის გადასვლის სიჩქარე აღემატება სპონტანური ემისიის სიდიდეს. უფრო მაღალი ენერგეტიკული მდგომარეობიდან უფრო დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობიდან გადასვლა ქმნის დამატებით ფოტონს იგივე ფაზით და მიმართულებით, როგორც შემხვედრი ფოტონი. ეს არის იძულებითი ემისიის პროცესი.
გახსნა
სტიმულირებული ემისია იყო აინშტაინის თეორიული აღმოჩენა ძველი კვანტური თეორიით, რომელშიც გამოსხივება აღწერილია ფოტონების მიხედვით, რომლებიც ელექტრომაგნიტური ველის კვანტებს წარმოადგენენ. ასეთი გამოსხივება ასევე შეიძლება მოხდეს კლასიკურ მოდელებში ფოტონების ან კვანტური მექანიკის მითითების გარეშე.
სტიმულირებული ემისიის მოდელირება შესაძლებელია მათემატიკურად, მოცემული ატომის გათვალისწინებით, რომელიც შეიძლება იყოს ორი ელექტრონული ენერგიის ერთ-ერთ მდგომარეობაში, ქვედა დონის მდგომარეობაში (შესაძლოა ძირითადი მდგომარეობა) და აღგზნებულ მდგომარეობაში, შესაბამისად E1 და E2 ენერგიებით..
თუ ატომი აღგზნებულ მდგომარეობაშია, ის შეიძლება დაიშალოს დაბალ მდგომარეობაში სპონტანური ემისიის პროცესის მეშვეობით, ათავისუფლებს ენერგიის სხვაობას ორ მდგომარეობას შორის ფოტონის სახით.
ალტერნატიულად, თუ აღგზნებული მდგომარეობის ატომს არღვევს ν0 სიხშირის ელექტრული ველი, მას შეუძლია გამოუშვას იმავე სიხშირის და ფაზაში დამატებითი ფოტონი, რითაც გაზრდის გარე ველს და დატოვებს ატომს დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში.. ეს პროცესი ცნობილია როგორც სტიმულირებული ემისია.
პროპორციულობა
პროპორციულობის B21 მუდმივა, რომელიც გამოიყენება განტოლებებში სპონტანური და ინდუცირებული ემისიის დასადგენად, ცნობილია როგორც აინშტაინის კოეფიციენტი B ამ კონკრეტული გადასვლისთვის, და ρ(ν) არის ინციდენტის ველის გამოსხივების სიმკვრივე ν სიხშირეზე. ამრიგად, ემისიის სიჩქარე პროპორციულია ატომების რაოდენობის N2 აღგზნებულ მდგომარეობაში და შემხვედრი ფოტონების სიმკვრივისა. ასეთია არსისტიმულირებული ემისიის ფენომენი.
ამავდროულად მოხდება ატომური შთანთქმის პროცესი, რომელიც შლის ენერგიას ველიდან და ელექტრონებს აწევს ქვედა მდგომარეობიდან ზედაში. მისი სიჩქარე განისაზღვრება არსებითად იდენტური განტოლებით.
ამგვარად, წმინდა სიმძლავრე გამოიყოფა ელექტრულ ველში, რომელიც უდრის ფოტონის ენერგიას h გამრავლებული ამ წმინდა გადასვლის სიჩქარეზე. იმისათვის, რომ ეს იყოს დადებითი რიცხვი, რომელიც მიუთითებს მთლიან სპონტანურ და ინდუცირებულ ემისიაზე, უნდა იყოს მეტი ატომები აღგზნებულ მდგომარეობაში, ვიდრე ქვედა დონეზე.
განსხვავებები
სტიმულირებული ემისიის თვისებები ჩვეულებრივი სინათლის წყაროებთან შედარებით (რომლებიც დამოკიდებულია სპონტანურ გამოსხივებაზე) არის ის, რომ გამოსხივებულ ფოტონებს აქვთ იგივე სიხშირე, ფაზა, პოლარიზაცია და გავრცელების მიმართულება, როგორც შემხვედრ ფოტონებს. ამრიგად, ჩართული ფოტონები ურთიერთშეთანხმებულია. ამიტომ, ინვერსიის დროს ხდება ინციდენტის გამოსხივების ოპტიკური გაძლიერება.
ენერგეტიკული ცვლილება
მიუხედავად იმისა, რომ სტიმულირებული ემისიის შედეგად წარმოქმნილი ენერგია ყოველთვის არის იმ ველის ზუსტ სიხშირეზე, რომელიც მას ასტიმულირებს, სიჩქარის გამოთვლის ზემოაღნიშნული აღწერა ეხება მხოლოდ აგზნებას სპეციფიკურ ოპტიკურ სიხშირეზე, სტიმულირების სიძლიერეზე (ან სპონტანურზე) ემისია შემცირდება მოწოდებული ხაზის ფორმის მიხედვით. მხოლოდ ერთიანი გაფართოების გათვალისწინებით, რომელიც გავლენას ახდენს ატომურ ან მოლეკულურ რეზონანსზე, სპექტრული ხაზის ფორმის ფუნქცია აღწერილია, როგორც ლორენცის განაწილება.
ამგვარად, სტიმულირებული ემისია ამით მცირდებაკოეფიციენტი. პრაქტიკაში შეიძლება ასევე მოხდეს ხაზის ფორმის გაფართოება არაჰომოგენური გაფართოების გამო, უპირველეს ყოვლისა დოპლერის ეფექტის გამო, რომელიც გამოწვეულია აირში სიჩქარის განაწილებით გარკვეულ ტემპერატურაზე. მას აქვს გაუსის ფორმა და ამცირებს ხაზის ფორმის ფუნქციის პიკს. პრაქტიკულ პრობლემაში, ხაზის ფორმის სრული ფუნქცია შეიძლება გამოითვალოს ჩართული ხაზის ფორმის ცალკეული ფუნქციების შერწყმით.
სტიმულირებული ემისია შეუძლია უზრუნველყოს ოპტიკური გაძლიერების ფიზიკური მექანიზმი. თუ ენერგიის გარე წყარო ასტიმულირებს ძირითად მდგომარეობაში მყოფი ატომების 50%-ზე მეტს, რათა გადავიდეს აღგზნებულ მდგომარეობაში, მაშინ იქმნება ის, რასაც პოპულაციის ინვერსია ჰქვია.
როდესაც შესაბამისი სიხშირის სინათლე გადის ინვერსიულ გარემოში, ფოტონები ან შეიწოვება ატომებით, რომლებიც რჩებიან ძირითად მდგომარეობაში, ან აღგზნებულ ატომებს ასტიმულირებენ იმავე სიხშირის, ფაზის და მიმართულების დამატებითი ფოტონების გამოსხივებას. ვინაიდან აღგზნებულ მდგომარეობაში უფრო მეტი ატომია, ვიდრე ძირითად მდგომარეობაში, შედეგი არის შეყვანის ინტენსივობის ზრდა.
რადიაციული შთანთქმა
ფიზიკაში ელექტრომაგნიტური გამოსხივების შთანთქმა არის გზა, რომლითაც ფოტონის ენერგია შთანთქავს მატერიას, ჩვეულებრივ, ატომის ელექტრონებს. ამრიგად, ელექტრომაგნიტური ენერგია გარდაიქმნება შთანთქმის შინაგან ენერგიად, როგორიცაა სითბო. გარემოში გავრცელებული სინათლის ტალღის ინტენსივობის შემცირებას მისი ზოგიერთი ფოტონის შთანთქმის გამო, ხშირად უწოდებენ შესუსტებას.
ნორმალურად ტალღის შთანთქმაარ არის დამოკიდებული მათ ინტენსივობაზე (წრფივი შთანთქმა), თუმცა გარკვეულ პირობებში (ჩვეულებრივ ოპტიკაში) გარემო ცვლის გამჭვირვალობას გადაცემული ტალღების ინტენსივობისა და გაჯერებული შთანთქმის მიხედვით.
არსებობს რამდენიმე გზა რაოდენობრივად იმის დასადგენად, თუ რამდენად სწრაფად და ეფექტურად შეიწოვება რადიაცია მოცემულ გარემოში, როგორიცაა შთანთქმის კოეფიციენტი და ზოგიერთი მჭიდროდ დაკავშირებული წარმოებული სიდიდე.
შემცირების ფაქტორი
რამდენიმე შესუსტების ფაქტორის მახასიათებელი:
- შემცირების ფაქტორი, რომელიც ზოგჯერ, მაგრამ არა ყოველთვის, შთანთქმის ფაქტორის სინონიმია.
- მოლარის შთანთქმის უნარი ეწოდება მოლარის ჩაქრობის კოეფიციენტს. ეს არის შთანთქმა გაყოფილი მოლარობაზე.
- მასის შესუსტების ფაქტორი არის შთანთქმის ფაქტორი გაყოფილი სიმკვრივეზე.
- შთანთქმის და გაფანტვის ჯვარი მონაკვეთები მჭიდრო კავშირშია კოეფიციენტებთან (შესაბამისად შეწოვა და შესუსტება).
- ასტრონომიაში გადაშენება უდრის დემპინგის ფაქტორს.
მუდმივი განტოლებისთვის
რადიაციული შთანთქმის სხვა საზომებია შეღწევადობის სიღრმე და კანის ეფექტი, გავრცელების მუდმივი, შესუსტების მუდმივი, ფაზის მუდმივი და რთული ტალღის რიცხვი, რთული გარდატეხის ინდექსი და ჩაქრობის კოეფიციენტი, რთული გამტარობა, ელექტრული წინაღობა და გამტარობა.
შეწოვა
აბსორბცია (ასევე უწოდებენ ოპტიკურ სიმკვრივეს) და ოპტიკურისიღრმე (ასევე უწოდებენ ოპტიკურ სისქეს) არის ორი ურთიერთდაკავშირებული საზომი.
ყველა ეს რაოდენობა ზომავს, გარკვეულწილად მაინც, რამდენს შთანთქავს გარემო რადიაციას. თუმცა, სხვადასხვა სფეროსა და მეთოდის პრაქტიკოსები, როგორც წესი, იყენებენ განსხვავებულ მნიშვნელობებს ზემოთ მოყვანილი სიიდან.
ობიექტის შთანთქმა რაოდენობრივად ადგენს, რამდენ ინციდენტურ შუქს შთანთქავს იგი (არეკვლის ან გარდატეხის ნაცვლად). ეს შეიძლება დაკავშირებული იყოს ობიექტის სხვა თვისებებთან ლუდ-ლამბერტის კანონის მეშვეობით.
შთანთქმის ზუსტი გაზომვები მრავალ ტალღის სიგრძეზე შესაძლებელს ხდის ნივთიერების იდენტიფიცირებას შთანთქმის სპექტროსკოპიის გამოყენებით, სადაც ნიმუში განათებულია ერთი მხრიდან. შთანთქმის რამდენიმე მაგალითია ულტრაიისფერი ხილული სპექტროსკოპია, ინფრაწითელი სპექტროსკოპია და რენტგენის შთანთქმის სპექტროსკოპია.
აპლიკაცია
ელექტრომაგნიტური და ინდუცირებული გამოსხივების შთანთქმის გაგებას და გაზომვას მრავალი გამოყენება აქვს.
როდესაც გავრცელდება, მაგალითად, რადიოთი, ის წარმოდგენილია მხედველობის მიღმა.
ლაზერების სტიმულირებული ემისია ასევე ცნობილია.
მეტეოროლოგიასა და კლიმატოლოგიაში გლობალური და ადგილობრივი ტემპერატურა ნაწილობრივ დამოკიდებულია რადიაციის შთანთქმაზე ატმოსფერული გაზებით (მაგალითად, სათბურის ეფექტი), ისევე როგორც ხმელეთისა და ოკეანის ზედაპირები.
მედიცინაში რენტგენის სხივები სხვადასხვა ხარისხით შეიწოვება სხვადასხვა ქსოვილის (კერძოდ, ძვლის) მიერ, რაც რენტგენოგრაფიის საფუძველია.
ასევე გამოიყენება ქიმიასა და მასალების მეცნიერებაში, როგორც განსხვავებულიმასალები და მოლეკულები შთანთქავენ რადიაციას სხვადასხვა ხარისხით სხვადასხვა სიხშირეზე, რაც მასალის იდენტიფიცირების საშუალებას იძლევა.
ოპტიკაში მზის სათვალეები, ფერადი ფილტრები, საღებავები და სხვა მსგავსი მასალები სპეციალურად შექმნილია იმისთვის, რომ გაითვალისწინონ რა ხილული ტალღის სიგრძეები შთანთქავენ და რა პროპორციებით. სათვალეების სტრუქტურა დამოკიდებულია იმ პირობებზე, რომლებშიც ჩნდება სტიმულირებული ემისია.
ბიოლოგიაში, ფოტოსინთეზური ორგანიზმები საჭიროებენ შესაბამისი ტალღის სიგრძის შუქს, რათა შეიწოვება ქლოროპლასტების აქტიურ რეგიონში. ეს აუცილებელია იმისათვის, რომ სინათლის ენერგია გარდაიქმნას ქიმიურ ენერგიად შაქრებსა და სხვა მოლეკულებში.
ფიზიკაში ცნობილია, რომ დედამიწის იონოსფეროს D-რეგიონი მნიშვნელოვნად შთანთქავს რადიოსიგნალებს, რომლებიც მოხვდება მაღალი სიხშირის ელექტრომაგნიტურ სპექტრში და დაკავშირებულია ინდუცირებულ გამოსხივებასთან.
ბირთვულ ფიზიკაში ბირთვული გამოსხივების შთანთქმის გამოყენება შესაძლებელია სითხის დონის, დენსიტომეტრიის ან სისქის გაზომვისთვის.
ინდუცირებული გამოსხივების ძირითადი გამოყენებაა კვანტური გენერატორები, ლაზერები, ოპტიკური მოწყობილობები.
