Стимулданған сәуле шығару – белгілі бір жиіліктегі кіріс фотонның қозғалған атомдық электронмен (немесе басқа қозған молекулалық күймен) әрекеттесіп, оның төменгі энергия деңгейіне түсуіне әкелетін процесс. Бөлінген энергия электромагниттік өріске ауысып, фазасы, жиілігі, поляризациясы және қозғалыс бағыты түскен толқынның фотондарымен бірдей жаңа фотонды жасайды. Және бұл қоршаған электромагниттік өрісті есепке алмай, кездейсоқ интервалдармен жұмыс істейтін өздігінен сәулеленуден айырмашылығы болады.
Стимулданған эмиссияны алу шарттары
Процесс формасы бойынша атомдық жұтылумен бірдей, онда жұтылған фотонның энергиясы бірдей, бірақ қарама-қарсы атомдық ауысуды тудырады: төменненжоғары энергия деңгейі. Жылулық тепе-теңдіктегі қалыпты орталарда жұтылу ынталандырылған эмиссиядан асып түседі, себебі жоғары энергия күйлеріне қарағанда төмен энергиялық күйлерде электрондар көп.
Алайда, популяция инверсиясы болған кезде, ынталандырылған эмиссия жылдамдығы сіңіру жылдамдығынан асып түседі және таза оптикалық күшейтуге қол жеткізуге болады. Мұндай күшейткіш орта оптикалық резонатормен бірге лазердің немесе мазердің негізін құрайды. Кері байланыс механизмі болмағандықтан, лазерлік күшейткіштер мен суперлюминесцентті көздер де ынталандырылған сәуле шығару негізінде жұмыс істейді.
Стимулданған эмиссияны алудың негізгі шарты қандай?
Электрондар және олардың электромагниттік өрістермен әрекеттесуі химия мен физиканы түсінуімізде маңызды. Классикалық көзқараста атом ядросының айналасында айналатын электронның энергиясы атом ядросынан алыс орбиталар үшін көбірек болады.
Электрон жарық энергиясын (фотондар) немесе жылу энергиясын (фонондар) жұтқанда, ол осы түскен энергия квантын алады. Бірақ ауысуларға төменде көрсетілген екеуі сияқты дискретті энергия деңгейлері арасында ғана рұқсат етіледі. Бұл эмиссия мен сіңіру сызықтарына әкеледі.
Энергетикалық аспект
Келесі, индукциялық сәулеленуді алудың негізгі шарты туралы айтатын боламыз. Электрон төменгі деңгейден жоғары энергетикалық деңгейге қозғалғанда, оның мәңгі осылай қалуы екіталай. Қозған күйдегі электрон төменгі деңгейге дейін ыдырауы мүмкіносы ауысуды сипаттайтын белгілі бір уақыт тұрақтысына сәйкес, бос емес энергия күйі.
Мұндай электрон сыртқы әсерсіз ыдыраса, фотон шығарса, бұл өздігінен сәуле шығару деп аталады. Шығарылатын фотонмен байланысты фаза мен бағыт кездейсоқ. Осылайша, мұндай қоздырылған күйдегі көптеген атомдары бар материал тар спектрі бар (жарықтың бір толқын ұзындығының айналасында орналасқан) сәулеленуді тудыруы мүмкін, бірақ жеке фотондардың жалпы фазалық қатынастары болмайды және кездейсоқ бағытта да шығарылады. Бұл флуоресценция мен жылу шығару механизмі.
Өтуге байланысты жиіліктегі сыртқы электромагниттік өріс атомның кванттық механикалық күйіне жұтылусыз әсер етуі мүмкін. Атомдағы электрон екі стационарлық күй арасында ауысқанда (олардың ешқайсысы да диполь өрісін көрсетпейді), ол диполь өрісі бар өтпелі күйге өтеді және тән жиілікте тербелетін шағын электрлік диполь сияқты әрекет етеді.
Осы жиіліктегі сыртқы электр өрісіне жауап ретінде электронның мұндай күйге өту ықтималдығы айтарлықтай артады. Осылайша, екі стационарлық күй арасындағы ауысу жылдамдығы өздігінен шығарылатын сәулеленудің шамадан тыс болады. Жоғарыдан төмен энергетикалық күйге өту түскен фотон сияқты фазасы мен бағыты бар қосымша фотонды жасайды. Бұл мәжбүрлі эмиссия процесі.
Ашу
Стимулданған сәуле шығару Эйнштейннің ескі кванттық теория бойынша теориялық ашылуы болды, онда сәулелену электромагниттік өріс кванттары болып табылатын фотондармен сипатталады. Мұндай сәулелену фотондарға немесе кванттық механикаға сілтеме жасамай-ақ классикалық үлгілерде де болуы мүмкін.
Стимулданған сәулеленуді сәйкесінше E1 және E2 энергиялары бар екі электрондық энергия күйінің бірінде, төменгі деңгейлі күйде (мүмкін негізгі күй) және қозған күйде болатын атомды ескере отырып, математикалық түрде модельдеуге болады.
Егер атом қозған күйде болса, ол екі күй арасындағы энергия айырмашылығын фотон ретінде босатып, өздігінен сәуле шығару процесі арқылы төменгі күйге ыдырауы мүмкін.
Балама, егер қозған күйдегі атом ν0 жиіліктегі электр өрісімен бұзылса, ол бірдей жиіліктегі және фазадағы қосымша фотонды шығара алады, осылайша сыртқы өрісті арттырады, атомды энергиясы төмен күйде қалдырады.. Бұл процесс ынталандырылған эмиссия ретінде белгілі.
Пропорционалдық
Спонтанды және индукциялық сәуле шығаруды анықтауға арналған теңдеулерде қолданылатын B21 пропорционалдылық константасы осы нақты өту үшін Эйнштейн B коэффициенті ретінде белгілі және ρ(ν) ν жиіліктегі түскен өрістің сәулелену тығыздығы болып табылады. Осылайша, сәуле шығару жылдамдығы N2 қозған күйдегі атомдар санына және түскен фотондардың тығыздығына пропорционал. Мәні осындайынталандырылған эмиссия құбылыстары.
Сонымен бірге атомдық жұтылу процесі жүреді, ол өрістен энергияны алып тастайды, электрондарды төменгі күйден жоғарғыға көтереді. Оның жылдамдығы іс жүзінде бірдей теңдеу арқылы анықталады.
Осылайша, таза қуат электр өрісіне фотонның энергиясын h есе осы таза өту жылдамдығына тең болады. Бұл жалпы өздігінен және индукцияланған эмиссияны көрсететін оң сан болуы үшін қозған күйдегі атомдар төменгі деңгейге қарағанда көбірек болуы керек.
Айырмашылықтар
Кәдімгі жарық көздерімен салыстырғанда ынталандырылған сәулеленудің қасиеттері (олар өздігінен сәулеленуге байланысты) шығарылатын фотондардың жиілігі, фазасы, поляризациясы және таралу бағыты түскен фотондармен бірдей болады. Осылайша, тартылған фотондар өзара когерентті болады. Сондықтан инверсия кезінде түскен сәулеленудің оптикалық күшеюі орын алады.
Энергия өзгерісі
Стимулданған сәуле шығару нәтижесінде пайда болатын энергия әрқашан оны ынталандырған өрістің дәл жиілігінде болғанымен, жылдамдықты есептеудің жоғарыдағы сипаттамасы тек белгілі бір оптикалық жиіліктегі қозуға, ынталандырылған (немесе өздігінен) күшіне қатысты. эмиссия деп аталатын сызық пішініне сәйкес азаяды. Атомдық немесе молекулалық резонансқа әсер ететін біркелкі кеңеюді ғана ескере отырып, спектрлік сызық пішінінің функциясы Лоренц таралуы ретінде сипатталады.
Осылайша ынталандырылған эмиссия азаядыкоэффициент. Тәжірибеде біркелкі емес кеңеюге байланысты сызық пішінінің кеңеюі де, ең алдымен, белгілі бір температурада газдағы жылдамдықтардың таралуынан туындайтын Доплер эффектісіне байланысты болуы мүмкін. Бұл Гаусс пішініне ие және сызық пішіні функциясының ең жоғары күшін азайтады. Практикалық мәселеде сызық пішінінің толық функциясын жеке сызық кескіні функцияларын біріктіру арқылы есептеуге болады.
Ынталандырылған эмиссия оптикалық күшейтудің физикалық механизмін қамтамасыз ете алады. Егер сыртқы энергия көзі негізгі күйдегі атомдардың 50%-дан астамын қозған күйге өтуге ынталандырса, онда популяциялық инверсия деп аталатын нәрсе жасалады.
Сәйкес жиіліктегі жарық инверттелген орта арқылы өткенде, фотондарды негізгі күйде қалатын атомдар жұтады немесе қозғалған атомдарды жиілігі, фазасы және бағыты бірдей қосымша фотондарды шығаруға ынталандырады. Қозған күйдегі атомдар негізгі күйге қарағанда көбірек болғандықтан, нәтиже кіріс қарқындылығының жоғарылауына әкеледі.
Сәулеленуді сіңіру
Физикада электромагниттік сәулеленуді жұту деп фотон энергиясын заттың, әдетте атомның электрондарының жұту тәсілін айтады. Осылайша, электромагниттік энергия жылу сияқты сіңіргіштің ішкі энергиясына айналады. Ортада таралатын жарық толқынының интенсивтілігінің оның кейбір фотондарының жұтылуына байланысты төмендеуі жиі әлсіреу деп аталады.
Қалыпты толқынды сіңіруолардың интенсивтілігіне (сызықты жұтылу) тәуелді емес, дегенмен белгілі бір жағдайларда (әдетте оптикада) орта жіберілетін толқындардың қарқындылығына және қаныққан абсорбцияға байланысты мөлдірлікті өзгертеді.
Сәулеленудің белгілі бір ортада қаншалықты жылдам және тиімді жұтылатынын сандық анықтаудың бірнеше жолы бар, мысалы, жұту коэффициенті және кейбір тығыз байланысты туынды шамалар.
Өшу факторы
Бірнеше әлсірету факторының мүмкіндіктері:
- Әсер ету факторы, кейде, бірақ әрқашан емес, сіңіру факторының синонимі.
- Молярлық сіңіру қабілеті молярлық өшу коэффициенті деп аталады. Ол молярлыққа бөлінген сіңіру.
- Массаның әлсіреу коэффициенті – сіңіру коэффициенті тығыздыққа бөлінген.
- Сіңіру және шашырау көлденең қималары коэффициенттермен тығыз байланысты (сәйкесінше жұтылу және әлсіреу).
- Астрономиядағы жойылу демпферлік факторға тең.
Теңдеулер үшін тұрақты
Сәулеленуді сіңірудің басқа өлшемдеріне ену тереңдігі мен тері әсері, таралу константасы, әлсіреу константасы, фазалық тұрақты және күрделі толқын саны, күрделі сыну көрсеткіші және сөну коэффициенті, күрделі өткізгіштік, электр кедергісі және өткізгіштік жатады.
Сіңуі
Сіңіру (оптикалық тығыздық деп те аталады) және оптикалықтереңдік (оптикалық қалыңдық деп те аталады) өзара байланысты екі өлшем.
Бұл шамалардың барлығы, кем дегенде, белгілі бір дәрежеде ортаның сәулеленуді қаншалықты сіңіретінін өлшейді. Дегенмен, әртүрлі салалар мен әдістердің тәжірибешілері әдетте жоғарыдағы тізімнен алынған әртүрлі мәндерді пайдаланады.
Нысанның жұтылуы оған түскен жарықтың қаншалықты жұтатынын көрсетеді (шағылу немесе сынудың орнына). Бұл Бер-Ламберт заңы арқылы нысанның басқа қасиеттеріне қатысты болуы мүмкін.
Көп толқын ұзындығындағы абсорбцияны дәл өлшеу үлгі бір жағынан жарықтандырылатын абсорбциялық спектроскопияның көмегімен затты анықтауға мүмкіндік береді. Абсорбцияның бірнеше мысалы ретінде ультракүлгін-көрінетін спектроскопия, инфрақызыл спектроскопия және рентгендік абсорбциялық спектроскопия жатады.
Қолданба
Электромагниттік және индукциялық сәулеленудің жұтылуын түсіну және өлшеу көптеген қолданбаларға ие.
Таратылғанда, мысалы, радио арқылы, ол көзге түспейді.
Лазерлердің ынталандырылған сәулеленуі де жақсы белгілі.
Метеорология мен климатологияда жаһандық және жергілікті температура ішінара атмосфералық газдардың (мысалы, парниктік эффект), сондай-ақ құрлық пен мұхит бетінің радиациясын сіңіруіне байланысты.
Медицинада рентген сәулелері әртүрлі тіндерге (атап айтқанда, сүйекке) әртүрлі дәрежеде сіңіріледі, бұл рентгенографияның негізі болып табылады.
Сондай-ақ химия және материалтануда басқаша ретінде пайдаланыладыматериалдар мен молекулалар әртүрлі жиіліктегі сәулені әртүрлі дәрежеде жұтып, материалды анықтауға мүмкіндік береді.
Оптикада күннен қорғайтын көзілдірік, түсті сүзгілер, бояғыштар және басқа ұқсас материалдар олардың қандай көрінетін толқын ұзындығын және қандай пропорцияда жұтатынын ескеру үшін арнайы жасалған. Көзілдіріктің құрылымы ынталандырылған эмиссия пайда болатын жағдайларға байланысты.
Биологияда фотосинтездеуші организмдер хлоропластардың белсенді аймағында жұтылуы үшін сәйкес толқын ұзындығындағы жарықты қажет етеді. Бұл жарық энергиясы қант пен басқа молекулалардағы химиялық энергияға айналуы үшін қажет.
Жер ионосферасының D-аймағы жоғары жиілікті электромагниттік спектрге түсетін және индукцияланған сәулеленумен байланысты радиосигналдарды айтарлықтай жұтатыны физикада белгілі.
Ядролық физикада ядролық сәулеленуді сіңіру сұйықтық деңгейін, денситометрияны немесе қалыңдықты өлшеу үшін пайдаланылуы мүмкін.
Индукцияланған сәулеленудің негізгі қолданбалары кванттық генераторлар, лазерлер, оптикалық құрылғылар болып табылады.
