Stimulyatsiya qilingan emissiya - bu ma'lum bir chastotadagi kiruvchi fotonning qo'zg'atilgan atom elektroni (yoki boshqa qo'zg'atilgan molekulyar holat) bilan o'zaro ta'sir qilishi va uning past energiya darajasiga tushishiga olib keladigan jarayon. Chiqarilgan energiya elektromagnit maydonga o'tkaziladi va fazasi, chastotasi, qutblanishi va harakat yo'nalishi bo'lgan yangi fotonni hosil qiladi, ular tushgan to'lqinning fotonlari bilan bir xil bo'ladi. Va bu atrofdagi elektromagnit maydonni hisobga olmagan holda, tasodifiy intervallarda ishlaydigan spontan nurlanishdan farqli o'laroq sodir bo'ladi.
Ragʻbatlantirilgan emissiyani olish shartlari
Bu jarayon atomik yutilish bilan bir xil, bunda yutilgan foton energiyasi bir xil, ammo qarama-qarshi atomik oʻtishni keltirib chiqaradi: pastdan pastgacha.yuqori energiya darajasi. Issiqlik muvozanatidagi normal muhitda yutilish stimulyatsiya qilingan emissiyadan oshib ketadi, chunki yuqori energiya holatlariga qaraganda pastroq energiya holatlarida ko'proq elektronlar mavjud.
Biroq, populyatsiya inversiyasi mavjud bo'lganda, stimulyatsiya qilingan emissiya tezligi yutilish tezligidan oshadi va sof optik kuchaytirishga erishish mumkin. Bunday kuchaytiruvchi vosita optik rezonator bilan birga lazer yoki maserning asosini tashkil qiladi. Teskari aloqa mexanizmi bo'lmagani uchun lazer kuchaytirgichlari va superlyuminestsent manbalar ham stimulyatsiyalangan emissiya asosida ishlaydi.
Ragʻbatlantirilgan emissiyani olishning asosiy sharti nima?
Elektronlar va ularning elektromagnit maydonlar bilan o'zaro ta'siri bizning kimyo va fizikani tushunishimizda muhim ahamiyatga ega. Klassik nuqtai nazarga ko'ra, atom yadrosi atrofida aylanadigan elektronning energiyasi atom yadrosidan uzoqda joylashgan orbitalar uchun kattaroqdir.
Elektron yorug'lik energiyasini (fotonlar) yoki issiqlik energiyasini (fononlarni) o'zlashtirganda, u ushbu tushayotgan energiya kvantini oladi. Ammo o'tishlarga faqat quyida ko'rsatilgan ikkitasi kabi diskret energiya darajalari o'rtasida ruxsat beriladi. Bu emissiya va yutilish chiziqlariga olib keladi.
Energiya tomoni
Keyin, biz induksiyalangan nurlanishni olishning asosiy sharti haqida gapiramiz. Elektron pastroqdan yuqoriroq energiya darajasiga qo'zg'alganda, u abadiy shunday qolishi dargumon. Qo'zg'aluvchan holatdagi elektron pastki darajaga tushishi mumkinbu o'tishni tavsiflovchi ma'lum bir vaqt konstantasiga muvofiq, band bo'lmagan energiya holati.
Bunday elektron tashqi ta'sirsiz, foton chiqaradigan parchalanib ketganda, bu o'z-o'zidan emissiya deyiladi. Chiqarilgan foton bilan bog'liq faza va yo'nalish tasodifiydir. Shunday qilib, bunday qo'zg'atilgan holatda ko'plab atomlarga ega bo'lgan material tor spektrga ega bo'lgan nurlanishni keltirib chiqarishi mumkin (markazi bitta yorug'lik to'lqin uzunligi atrofida), lekin alohida fotonlar umumiy faza munosabatlariga ega bo'lmaydi va tasodifiy yo'nalishlarda ham chiqariladi. Bu floresans va issiqlik hosil qilish mexanizmi.
Oʻtish bilan bogʻliq chastotadagi tashqi elektromagnit maydon atomning kvant mexanik holatiga yutilishsiz taʼsir qilishi mumkin. Atomdagi elektron ikkita statsionar holat oʻrtasida oʻtishni amalga oshirganda (ularning hech biri dipol maydonini koʻrsatmaydi), u dipol maydoniga ega boʻlgan oʻtish holatiga kiradi va xarakterli chastotada tebranuvchi kichik elektr dipol kabi ishlaydi.
Ushbu chastotadagi tashqi elektr maydoniga javoban elektronning bunday holatga o'tish ehtimoli sezilarli darajada oshadi. Shunday qilib, ikkita statsionar holat o'rtasidagi o'tish tezligi spontan emissiya kattaligidan oshadi. Yuqori energiya holatidan pastroq energiya holatiga o'tish hodisa foton bilan bir xil faza va yo'nalishga ega bo'lgan qo'shimcha fotonni hosil qiladi. Bu majburiy emissiya jarayoni.
Ochilish
Stimulyatsiya qilingan emissiya Eynshteynning eski kvant nazariyasi ostidagi nazariy kashfiyoti boʻlib, unda nurlanish elektromagnit maydon kvantlari boʻlgan fotonlar koʻrinishida tasvirlangan. Bunday nurlanish fotonlar yoki kvant mexanikasiga asoslanmagan klassik modellarda ham sodir bo'lishi mumkin.
Mos ravishda E1 va E2 energiyaga ega ikkita elektron energiya holatidan birida, quyi darajadagi holatda (ehtimol asosiy holat) va qoʻzgʻatilgan holatda boʻlishi mumkin boʻlgan atomni matematik tarzda modellashtirish mumkin.
Agar atom qoʻzgʻaluvchan holatda boʻlsa, u oʻz-oʻzidan emissiya jarayoni orqali pastroq holatga tushib, ikki holat oʻrtasidagi energiya farqini foton sifatida chiqarishi mumkin.
Muqobil ravishda, agar hayajonlangan holatdagi atom n0 chastotali elektr maydoni bilan bezovtalansa, u bir xil chastotali va fazadagi qoʻshimcha fotonni chiqarishi mumkin va shu bilan tashqi maydonni oshiradi va atomni kamroq energiya holatida qoldiradi.. Bu jarayon stimulyatsiya qilingan emissiya deb nomlanadi.
Proportsionallik
Spontan va induksiyalangan emissiyani aniqlash uchun tenglamalarda qoʻllaniladigan B21 proportsionallik konstantasi ushbu aniq oʻtish uchun Eynshteyn koeffitsienti B deb nomlanadi va r(n) n chastotadagi hodisa maydonining nurlanish zichligi hisoblanadi. Shunday qilib, emissiya tezligi N2 qo'zg'atilgan holatdagi atomlar soniga va tushgan fotonlarning zichligiga mutanosibdir. Mohiyat shundayrag'batlantirilgan emissiya hodisalari.
Shu bilan birga, atom yutilish jarayoni sodir bo'ladi, bu esa maydondan energiyani olib tashlaydi, elektronlarni pastki holatdan yuqoriga ko'taradi. Uning tezligi deyarli bir xil tenglama bilan aniqlanadi.
Shunday qilib, aniq quvvat elektr maydoniga foton energiyasining h marta bu aniq oʻtish tezligiga teng boʻladi. Bu jami o'z-o'zidan va induktsiyalangan emissiyani ko'rsatadigan ijobiy raqam bo'lishi uchun hayajonlangan holatda quyi darajadagi atomlarga qaraganda ko'proq atom bo'lishi kerak.
Farqlar
An'anaviy yorug'lik manbalariga nisbatan (o'z-o'zidan emissiyaga bog'liq) rag'batlantirilgan emissiyaning xususiyatlari shundaki, chiqarilgan fotonlar tushayotgan fotonlar bilan bir xil chastota, faza, qutblanish va tarqalish yo'nalishiga ega. Shunday qilib, jalb qilingan fotonlar o'zaro kogerentdir. Shunday qilib, inversiya paytida nurlanishning optik kuchayishi sodir bo'ladi.
Energiya oʻzgarishi
Rag'batlantirilgan emissiya natijasida hosil bo'lgan energiya har doim uni qo'zg'atgan maydonning aniq chastotasida bo'lsa-da, tezlikni hisoblashning yuqoridagi tavsifi faqat ma'lum bir optik chastotada qo'zg'alish uchun qo'llaniladi, stimulyatsiya qilingan (yoki o'z-o'zidan) emissiya chiziq shakliga qarab kamayadi. Atom yoki molekulyar rezonansga ta'sir qiluvchi yagona kengayish hisobga olinsa, spektral chiziq shakli funksiyasi Lorentz taqsimoti sifatida tavsiflanadi.
Shunday qilib, stimulyatsiya qilingan emissiya bu bilan kamayadikoeffitsienti. Amalda, bir hil bo'lmagan kengayish tufayli chiziq shaklining kengayishi, birinchi navbatda, ma'lum bir haroratda gazda tezliklarning taqsimlanishi natijasida paydo bo'ladigan Doppler effekti tufayli ham sodir bo'lishi mumkin. Bu Gauss shakliga ega va chiziq shakli funktsiyasining eng yuqori kuchini pasaytiradi. Amaliy masalada chiziq shaklining to‘liq funksiyasini individual chiziq shakli funksiyalarini birlashtirish orqali hisoblash mumkin.
Stimulyatsiya qilingan emissiya optik kuchaytirish uchun jismoniy mexanizmni ta'minlaydi. Agar tashqi energiya manbai asosiy holatdagi atomlarning 50% dan koʻprogʻini qoʻzgʻaluvchan holatga oʻtishni ragʻbatlantirsa, populyatsiya inversiyasi deb ataladigan narsa hosil boʻladi.
Tegishli chastotali yorug'lik teskari muhitdan o'tganda, fotonlar asosiy holatda qolgan atomlar tomonidan so'riladi yoki qo'zg'atilgan atomlarni bir xil chastota, faza va yo'nalishdagi qo'shimcha fotonlarni chiqarishga rag'batlantiradi. Uyg'onilgan holatda asosiy holatga qaraganda ko'proq atom borligi sababli, natijada kirish intensivligi oshadi.
Radiatsiyani yutish
Fizikada elektromagnit nurlanishning yutilishi foton energiyasini materiya, odatda atom elektronlari tomonidan yutish usulidir. Shunday qilib, elektromagnit energiya issiqlik kabi absorberning ichki energiyasiga aylanadi. Muhitda tarqalayotgan yorug'lik to'lqini intensivligining uning ba'zi fotonlarining yutilishi tufayli kamayishi ko'pincha zaiflashuv deb ataladi.
Odatda toʻlqinni yutishularning intensivligiga (chiziqli yutilish) bog'liq emas, garchi ma'lum sharoitlarda (odatda optikada) muhit uzatiladigan to'lqinlar intensivligi va to'yingan yutilishga qarab shaffoflikni o'zgartiradi.
Radiatsiyaning ma'lum muhitda qanchalik tez va samarali yutilishini aniqlashning bir necha usullari mavjud, masalan, yutish koeffitsienti va ba'zi bir chambarchas bog'liq hosilaviy miqdorlar.
Susaytiruvchi omil
Bir nechta zaiflash faktorlari:
- Susaytiruvchi omil, ba'zan, lekin har doim ham emas, yutilish omilining sinonimi.
- Molar yutish qobiliyati molyar so’nish koeffitsienti deyiladi. Bu absorbansning molyarlikka bo'linishi.
- Ommaviy pasayish omili yutilish omili zichlikka bo'linadi.
- Sirish va sochilish kesmalari koeffitsientlar bilan chambarchas bog'liq (mos ravishda yutilish va susaytirish).
- Astronomiyada yoʻq boʻlib ketish amortizatsiya omiliga ekvivalent.
Tenglamalar uchun doimiy
Radiatsiyani yutishning boshqa oʻlchovlari: kirib borish chuqurligi va teri effekti, tarqalish konstantasi, susaytirish konstantasi, faza doimiysi va kompleks toʻlqin soni, murakkab sinishi indeksi va soʻnish koeffitsienti, kompleks oʻtkazuvchanlik, elektr qarshiligi va oʻtkazuvchanlik.
Soʻrilish
Asorbsiya (optik zichlik deb ham ataladi) va optikchuqurlik (optik qalinlik deb ham ataladi) bir-biriga bog'liq ikkita o'lchovdir.
Bu miqdorlarning barchasi, hech bo'lmaganda, ma'lum darajada, muhit nurlanishni qanchalik yutishini o'lchaydi. Biroq, turli soha va usullardagi amaliyotchilar odatda yuqoridagi roʻyxatdan olingan turli qiymatlardan foydalanadilar.
Ob'ektning yutilishi uning qancha yorug'lik tushishini (aks ettirish yoki sinish o'rniga) miqdorini belgilaydi. Bu Beer-Lambert qonuni orqali ob'ektning boshqa xususiyatlari bilan bog'liq bo'lishi mumkin.
Ko'p to'lqin uzunliklarida absorbsiyaning aniq o'lchovlari namuna bir tomondan yoritilgan absorbsiya spektroskopiyasi yordamida moddani aniqlash imkonini beradi. Absorbsiyaning bir nechta misollari: ultrabinafsha nurlar bilan ko'rinadigan spektroskopiya, infraqizil spektroskopiya va rentgen nurlarini yutish spektroskopiyasi.
Ilova
Elektromagnit va induktsiyalangan nurlanishning yutilishini tushunish va o'lchash ko'plab ilovalarga ega.
Masalan, radio orqali tarqatilganda u koʻrinmaydigan joyda taqdim etiladi.
Lazerlarning ogohlantirilgan emissiyasi ham yaxshi ma'lum.
Meteorologiya va iqlimshunoslikda global va mahalliy haroratlar qisman atmosfera gazlari (masalan, issiqxona effekti), shuningdek, quruqlik va okean sirtlari tomonidan radiatsiyaning yutilishiga bog'liq.
Tibbiyotda rentgen nurlari turli toʻqimalar (xususan, suyak) tomonidan turli darajada soʻriladi, bu rentgenografiya uchun asos boʻladi.
Kimyo va materialshunoslikda ham har xil boʻlganidek qoʻllaniladimateriallar va molekulalar nurlanishni turli chastotalarda turli darajada singdirib, materialni aniqlash imkonini beradi.
Optikada quyoshdan saqlaydigan ko'zoynaklar, rangli filtrlar, bo'yoqlar va boshqa shunga o'xshash materiallar ular qanday ko'rinadigan to'lqin uzunliklarini va qanday nisbatda yutishini hisobga olish uchun maxsus ishlab chiqilgan. Ko'zoynak tuzilishi stimulyatsiya qilingan emissiya paydo bo'ladigan sharoitga bog'liq.
Biologiyada fotosintez qiluvchi organizmlar xloroplastlarning faol hududida soʻrilishi uchun tegishli toʻlqin uzunlikdagi yorugʻlikni talab qiladi. Bu yorug'lik energiyasi shakar va boshqa molekulalar ichida kimyoviy energiyaga aylanishi uchun zarur.
Fizikada ma'lumki, Yer ionosferasining D-hududi yuqori chastotali elektromagnit spektrga tushadigan va induksiyalangan nurlanish bilan bog'liq bo'lgan radio signallarni sezilarli darajada o'zlashtiradi.
Yadro fizikasida yadroviy nurlanishning yutilishi suyuqlik darajasini, densitometriyani yoki qalinligini o'lchash uchun ishlatilishi mumkin.
Induksiyalangan nurlanishning asosiy qoʻllanilishi kvant generatorlari, lazerlar, optik qurilmalardir.
