Стимулданган эмиссия – бул белгилүү бир жыштыктагы келген фотон дүүлүккөн атомдук электрон (же башка дүүлүккөн молекулалык абал) менен өз ара аракеттенип, анын төмөнкү энергетикалык деңгээлине түшүшүнө алып келүүчү процесс. Бөлүнгөн энергия электромагниттик талаага өткөрүлүп, фазасы, жыштыгы, поляризациясы жана кыймылынын багыты түшкөн толкундун фотондору менен бирдей болгон жаңы фотон түзүлөт. Ал эми бул айланадагы электромагниттик талааны эсепке албастан, туш келди аралыкта иштеген стихиялык нурлануудан айырмаланып турат.
Стимулданган эмиссияны алуу шарттары
Процесс формасы боюнча атомдук абсорбцияга окшош, мында сиңирилген фотондун энергиясы бирдей, бирок карама-каршы атомдук өтүүнү пайда кылат: төмөнкүдөн төмөнкүгөжогорку энергетикалык деңгээл. Жылуулук тең салмактуулугундагы нормалдуу чөйрөдө абсорбция стимулданган эмиссиядан ашат, анткени жогорку энергетикалык абалга караганда төмөнкү энергиялык абалдарда электрондор көп.
Бирок, популяциянын инверсиясы болгондо, стимулданган эмиссиянын ылдамдыгы жутуу ылдамдыгынан ашат жана таза оптикалык күчөтүүгө жетишүүгө болот. Мындай күчөтүүчү чөйрө оптикалык резонатор менен бирге лазердин же мазердин негизин түзөт. Пикир байланыш механизми жок болгондуктан, лазердик күчөткүчтөр жана суперлюминесценттик булактар да стимулданган эмиссиянын негизинде иштешет.
Стимулданган эмиссияны алуунун негизги шарты эмне?
Электрондор жана алардын электромагниттик талаалар менен өз ара аракеттешүүсү биздин химия жана физиканы түшүнүүдө маанилүү. Классикалык көз карашта атомдук ядронун айланасында айланган электрондун энергиясы атом ядросунан алыс жайгашкан орбиталар үчүн чоңураак.
Электрон жарык энергиясын (фотондорду) же жылуулук энергиясын (фонондорду) сиңиргенде, ал энергиянын келип түшкөн квантын алат. Бирок өтүүлөргө дискреттик энергия деңгээлдеринин ортосунда гана уруксат берилет, мисалы төмөндө көрсөтүлгөн экөө. Мунун натыйжасында эмиссия жана жутуу линиялары пайда болот.
Энергетикалык аспект
Кийин, индукцияланган нурланууну алуунун негизги шарты жөнүндө сөз кылабыз. Электрон төмөнкү деңгээлден жогорку энергия деңгээлине чейин дүүлүккөндө, ал түбөлүккө ошол бойдон калуусу күмөн. Толкунданган абалдагы электрон төмөнкү абалга чейин ажыроо мүмкүнбул өтүүнү мүнөздөгөн белгилүү бир убакыт константасына ылайык, ээлебеген энергия абалы.
Мындай электрон сырткы таасирсиз ажыроодо фотон чыгарса, бул өзүнөн-өзү эмиссия деп аталат. Чыгарылган фотон менен байланышкан фаза жана багыт кокустук. Ошентип, мындай толкунданган абалда көптөгөн атомдору бар материал тар спектрге ээ (жарыктын бир толкун узундугунун айланасында борборлошкон) нурланууга алып келиши мүмкүн, бирок айрым фотондор жалпы фазалык мамилелерге ээ болбойт жана ошондой эле туш келди багыттар боюнча чыгарылат. Бул флуоресценция жана жылуулукту пайда кылуу механизми.
Өтүү менен байланышкан жыштыктагы тышкы электромагниттик талаа атомдун кванттык механикалык абалына абсорбциясыз таасир этиши мүмкүн. Атомдогу электрон эки стационардык абалдын ортосунда (алардын бири да диполь талаасын көрсөтпөйт) өткөөл абалга өткөндө, ал диполь талаасы бар өтүү абалына кирет жана мүнөздүү жыштыкта термелүүчү кичинекей электрдик диполь сыяктуу иштейт.
Бул жыштыктагы тышкы электр талаасына жооп катары электрондун мындай абалга өтүү ыктымалдыгы бир топ жогорулайт. Ошентип, эки стационардык абалдын ортосундагы өтүү ылдамдыгы стихиялуу эмиссиянын чоңдугунан ашат. Жогорку абалдан төмөнкү энергия абалына өтүү, түшкөн фотон менен бирдей фаза жана багыт менен кошумча фотонду жаратат. Бул мажбурлап чыгаруу процесси.
Ачылуу
Стимулдаштырылган эмиссия Эйнштейндин эски кванттык теория боюнча теориялык ачылышы болгон, анда нурлануу электромагниттик талаанын кванттары болгон фотондор менен сүрөттөлгөн. Мындай нурлануу фотондорго же кванттык механикага шилтемесиз классикалык моделдерде да болушу мүмкүн.
Стимулдашкан эмиссияны математикалык түрдө моделдештирүүгө болот, атом эки электрондук энергия абалынын биринде, төмөнкү деңгээлдеги абалда (мүмкүн негизги абал) жана дүүлүктүрүлгөн абалда, тиешелүүлүгүнө жараша E1 жана E2 энергиясы бар.
Эгер атом дүүлүккөн абалда болсо, ал эки абалдын ортосундагы энергия айырмасын фотон катары бөлүп чыгарып, өзүнөн-өзү эмиссия процесси аркылуу төмөнкү абалга чирип кетиши мүмкүн.
Же болбосо, эгер толкунданган абалдагы атом ν0 жыштыктагы электр талаасы менен бузулса, ал ошол эле жыштыктагы жана фазадагы кошумча фотонду чыгарышы мүмкүн, ошону менен тышкы талааны көбөйтүп, атомду төмөнкү энергетикалык абалда калтырат.. Бул процесс стимулданган эмиссия деп аталат.
Пропорционалдык
Спонтандык жана индукцияланган эмиссияны аныктоо үчүн теңдемелерде колдонулган B21 пропорционалдык константасы ошол конкреттүү өтүү үчүн Эйнштейн коэффициенти B деп аталат, ал эми ρ(ν) – ν жыштыгында түшкөн талаанын нурлануу тыгыздыгы. Ошентип, эмиссиянын ылдамдыгы N2 дүүлүккөн абалдагы атомдордун санына жана түшкөн фотондордун тыгыздыгына пропорционалдуу. Маңызы ушундайстимулданган эмиссия кубулуштары.
Ошол эле учурда атомдук жутуу процесси ишке ашат, ал талаадан энергияны алып, электрондорду төмөнкү абалдан жогорку абалга көтөрөт. Анын ылдамдыгы негизинен окшош теңдеме менен аныкталат.
Ошентип, таза кубат электр талаасына бул таза өтүү ылдамдыгына h эсе фотондун энергиясына барабар чыгарылат. Бул жалпы өзүнөн-өзү пайда болгон жана индукцияланган эмиссияны көрсөткөн оң сан болушу үчүн дүүлүккөн абалда төмөнкү деңгээлге караганда көбүрөөк атом болушу керек.
Айырмалар
Стимулданган эмиссиянын кадимки жарык булактарына салыштырмалуу касиеттери (бул өзүнөн-өзү чыгуучу эмиссияга көз каранды) - эмиссияланган фотондор түшкөн фотондор менен бирдей жыштыкка, фазага, поляризацияга жана таралуу багытына ээ. Ошентип, тартылган фотондор өз ара когеренттүү болот. Демек, инверсия учурунда түшкөн нурлануунун оптикалык күчөшү пайда болот.
Энергияны өзгөртүү
Стимулданган эмиссиядан келип чыккан энергия ар дайым аны стимулдаган талаанын так жыштыгында болгонуна карабастан, ылдамдыкты эсептөөнүн жогорудагы сүрөттөлүшү белгилүү бир оптикалык жыштыктагы дүүлүктүрүүгө, стимулданган (же өзүнөн-өзү) күчкө гана тиешелүү. эмиссия деп аталган сызык формасына жараша азаят. Атомдук же молекулярдык резонанска таасир этүүчү бирдиктүү кеңейүүнү гана эске алуу менен, спектрдик сызык формасы функциясы Лоренц бөлүштүрүүсү катары сүрөттөлөт.
Ошентип, стимулданган эмиссия ушуну менен азаяткоэффициент. Практикада бир тектүү эмес кеңейүүдөн улам сызык формасынын кеңейиши да, биринчи кезекте, белгилүү бир температурада газдагы ылдамдыктардын бөлүштүрүлүшүнүн натыйжасында келип чыккан Доплер эффектисинин эсебинен болушу мүмкүн. Бул Гаусс формасына ээ жана сызык формасы функциясынын эң жогорку күчүн азайтат. Практикалык маселеде сызык формасынын толук функциясын сызык формасындагы жеке функцияларды бириктирүү аркылуу эсептесе болот.
Стимулдаштыруучу эмиссия оптикалык күчөтүү үчүн физикалык механизмди камсыздай алат. Эгерде тышкы энергия булагы негизги абалдагы атомдордун 50%дан ашыгын дүүлүккөн абалга өтүүгө түрткү берсе, анда популяциялык инверсия деп аталган нерсе түзүлөт.
Тийиштүү жыштыктагы жарык тескери чөйрөдөн өткөндө, фотондор же негизги абалда калган атомдор тарабынан сиңилет же дүүлүккөн атомдор бирдей жыштыктагы, фазадагы жана багыттагы кошумча фотондорду чыгарууну стимулдайт. Негизги абалга караганда дүүлүккөн абалда атомдор көп болгондуктан, натыйжада киргизүү интенсивдүүлүгү жогорулайт.
Радиацияны жутуу
Физикада электромагниттик нурлануунун жутулушу – бул фотондун энергиясын зат, көбүнчө атомдун электрондору сиңирүү жолу. Ошентип, электромагниттик энергия жылуулук сыяктуу абсорбердин ички энергиясына айланат. Жарык толкунунун кээ бир фотондорунун жутулушуна байланыштуу чөйрөдө таралган жарык толкунунун интенсивдүүлүгүнүн төмөндөшү көбүнчө алсыздануу деп аталат.
Кадимки толкунду жутууалардын интенсивдүүлүгүнө (сызыктуу жутуу) көз каранды эмес, бирок белгилүү шарттарда (көбүнчө оптикада) чөйрө өтүүчү толкундардын интенсивдүүлүгүнө жана каныккан жутулууга жараша тунуктукту өзгөртөт.
Нурлануунун берилген чөйрөдө канчалык тез жана эффективдүү сиңирин сандык аныктоонун бир нече жолу бар, мисалы, жутуу коэффициенти жана айрым туунду чоңдуктар.
Басаңдатуу фактору
Басаңдатуу факторунун бир нече өзгөчөлүктөрү:
- Ачуу фактору, кээде, бирок дайыма эмес, жутуу факторунун синоними болуп саналат.
- Молярдык жутуу сыйымдуулугу молярдык өчүү коэффициенти деп аталат. Бул молярдуулукка бөлүнгөн жутуу.
- Массалык басаңдатуу коэффициенти – бул сиңирүү коэффициентинин тыгыздыкка бөлүнүшү.
- Сирүү жана чачыроо кесилиштери коэффициенттер менен тыгыз байланышта (тиешелүүлүгүнө жараша жутуу жана басаңдатуу).
- Астрономияда жок болуу демпфинг факторуна барабар.
Теңдемелер үчүн константа
Радиацияны сиңирүүнүн башка өлчөмдөрү: өтүү тереңдиги жана тери эффектиси, таралуу константасы, басаңдатуу константасы, фаза константасы жана комплекстүү толкун саны, комплекстүү сынуу көрсөткүчү жана өчүү коэффициенти, комплекстүү өткөргүчтүк, электрдик каршылык жана өткөргүчтүк.
Сирүү
Сирүү (ошондой эле оптикалык тыгыздык деп аталат) жана оптикалыктереңдик (оптикалык жоондук деп да аталат) бири-бири менен байланышкан эки өлчөм.
Бул чоңдуктун баары жок дегенде кандайдыр бир деңгээлде чөйрөнүн нурланууну канчалык сиңирип алгандыгын өлчөйт. Бирок, ар кандай тармактардын жана ыкмалардын практиктери адатта жогорудагы тизмеден алынган ар кандай маанилерди колдонушат.
Объекттин жутулушу ал түшкөн жарыктын канчалык көп сиңирин (чагылуунун же сынуунун ордуна) санын көрсөтөт. Бул Бир-Ламберт мыйзамы аркылуу объекттин башка касиеттерине байланыштуу болушу мүмкүн.
Көптөгөн толкун узундуктарында абсорбцияны так өлчөө абсорбциялык спектроскопиянын жардамы менен затты аныктоого мүмкүндүк берет, мында үлгү бир тараптан жарыктанат. Абсорбциянын бир нече мисалы: ультра кызгылт көккө көрүнгөн спектроскопия, инфракызыл спектроскопия жана рентген нурларынын абсорбциялык спектроскопиясы.
Колдонмо
Электромагниттик жана индукцияланган нурлануунун жутулушун түшүнүү жана өлчөө көптөгөн колдонмолорго ээ.
Мисалы, радио аркылуу таратылганда, ал көрүнбөйт.
Лазерлердин стимулданган эмиссиясы да жакшы белгилүү.
Метеорология жана климатологияда глобалдык жана жергиликтүү температура жарым-жартылай атмосфералык газдардын (мисалы, парник эффектиси), ошондой эле кургактыктын жана океандын беттеринин радиациясын сиңирүүсүнөн көз каранды.
Медицинада рентген нурлары ар кандай ткандар (атап айтканда, сөөк) тарабынан ар кандай даражада сиңет, бул рентгенография үчүн негиз болуп саналат.
Ошондой эле химияда жана материал таанууда, башкача айтканда колдонулатматериалдар жана молекулалар нурланууну ар кандай жыштыктарда ар кандай даражада сиңирип, материалды аныктоого мүмкүндүк берет.
Оптикада күндөн коргоочу көз айнектер, түстүү фильтрлер, боёктор жана башка ушул сыяктуу материалдар алар кандай көрүнүүчү толкун узундуктарын жана кандай пропорцияда сиңирин эске алуу үчүн атайын иштелип чыккан. Көз айнектин түзүлүшү стимулданган эмиссия пайда болгон шарттарга жараша болот.
Биологияда фотосинтетикалык организмдер хлоропласттардын активдүү аймагында сиңирүү үчүн тиешелүү толкун узундугундагы жарыкты талап кылат. Бул жарык энергиясын канттын жана башка молекулалардын ичинде химиялык энергияга айландырышы үчүн зарыл.
Жердин ионосферасынын D-региону жогорку жыштыктагы электромагниттик спектрге түшкөн жана индукцияланган нурлануу менен байланышкан радиосигналдарды олуттуу түрдө сиңирип алаары физикада белгилүү.
Ядролук физикада ядролук радиациянын жутулушу суюктуктун деңгээлин, денситометрияны же калыңдыкты өлчөө үчүн колдонулушу мүмкүн.
Индукцияланган нурлануунун негизги колдонулушу кванттык генераторлор, лазерлер, оптикалык түзүлүштөр болуп саналат.
