Uyarılmış emisyon, belirli bir frekansta gelen bir fotonun, uyarılmış bir atomik elektronla (veya başka bir uyarılmış moleküler durumla) etkileşime girerek daha düşük bir enerji düzeyine düşmesine neden olma sürecidir. Serbest bırakılan enerji elektromanyetik alana aktarılır ve gelen dalganın fotonlarıyla aynı faza, frekansa, polarizasyona ve hareket yönüne sahip yeni bir foton oluşturulur. Ve bu, çevreleyen elektromanyetik alanı hesaba katmadan rastgele aralıklarla çalışan spontan radyasyonun aksine gerçekleşir.
Uyarılmış emisyon elde etme koşulları
Süreç, form olarak atomik absorpsiyonla aynıdır; burada absorbe edilen fotonun enerjisi aynı fakat zıt bir atomik geçişe neden olur: düşüktendaha yüksek enerji seviyesi. Termal dengedeki normal ortamlarda, absorpsiyon uyarılmış emisyonu aşar çünkü düşük enerji durumlarında yüksek enerji durumlarından daha fazla elektron vardır.
Ancak, popülasyon inversiyonu mevcut olduğunda, uyarılmış emisyon oranı absorpsiyon oranını aşar ve saf optik amplifikasyon elde edilebilir. Böyle bir yükseltici ortam, bir optik rezonatör ile birlikte bir lazerin veya bir maserin temelini oluşturur. Bir geri besleme mekanizmasından yoksun olan lazer yükselteçleri ve süper ışıldayan kaynaklar da uyarılmış emisyon temelinde çalışır.
Uyarılmış emisyon elde etmek için temel koşul nedir?
Elektronlar ve elektromanyetik alanlarla etkileşimleri kimya ve fizik anlayışımızda önemlidir. Klasik görüşte, bir atom çekirdeğinin etrafında dönen bir elektronun enerjisi, atom çekirdeğinden uzak yörüngeler için daha fazladır.
Bir elektron ışık enerjisini (fotonlar) veya ısı enerjisini (fononlar) emdiğinde, bu olay kuantum enerjisini alır. Ancak geçişlere yalnızca aşağıda gösterilen ikisi gibi ayrık enerji seviyeleri arasında izin verilir. Bu, emisyon ve absorpsiyon çizgileriyle sonuçlanır.
Enerji yönü
Sırada, indüklenmiş radyasyon elde etmenin ana koşulu hakkında konuşacağız. Bir elektron daha düşük bir enerji seviyesinden daha yüksek bir enerji seviyesine uyarıldığında, sonsuza kadar bu şekilde kalması pek mümkün değildir. Uyarılmış durumdaki bir elektron daha düşük bir seviyeye bozunabilir.bu geçişi karakterize eden belirli bir zaman sabitine göre işgal edilmeyen enerji durumu.
Böyle bir elektron, bir foton yayarak dış etki olmaksızın bozunduğunda, buna kendiliğinden emisyon denir. Yayılan bir fotonla ilişkili faz ve yön rastgeledir. Bu nedenle, böyle uyarılmış bir durumda çok sayıda atomu olan bir malzeme, dar bir spektruma sahip (tek bir ışık dalga boyu etrafında ortalanmış) radyasyona neden olabilir, ancak tek tek fotonlar ortak faz ilişkilerine sahip olmayacak ve ayrıca rastgele yönlerde yayılacaktır. Bu, floresan ve ısı üretiminin mekanizmasıdır.
Geçişle ilişkili frekanstaki harici elektromanyetik alan, atomun kuantum mekanik durumunu absorpsiyon olmadan etkileyebilir. Bir atomdaki bir elektron, iki durağan durum (hiçbiri dipol alanı göstermez) arasında bir geçiş yaptığında, bir dipol alanına sahip bir geçiş durumuna girer ve karakteristik bir frekansta salınan küçük bir elektrik dipolü gibi davranır.
Bu frekansta bir dış elektrik alanına tepki olarak, böyle bir duruma elektron geçişi olasılığı önemli ölçüde artar. Böylece, iki durağan durum arasındaki geçişlerin hızı, kendiliğinden emisyonun büyüklüğünü aşıyor. Daha yüksek bir enerjiden daha düşük bir enerji durumuna geçiş, gelen fotonla aynı faza ve yöne sahip ek bir foton yaratır. Bu, zorunlu emisyon sürecidir.
Açılış
Uyarılmış emisyon, Einstein'ın radyasyonun elektromanyetik alanın kuantumları olan fotonlar cinsinden tanımlandığı eski kuantum teorisi kapsamındaki teorik keşfiydi. Bu tür radyasyon, fotonlara veya kuantum mekaniğine başvurmadan klasik modellerde de meydana gelebilir.
Uyarılmış emisyon, sırasıyla E1 ve E2 enerjileri ile iki elektronik enerji durumundan birinde, daha düşük seviyeli bir durumda (muhtemelen bir temel durum) ve uyarılmış bir durumda olabilen bir atom verildiğinde matematiksel olarak modellenebilir.
Bir atom uyarılmış bir durumdaysa, iki durum arasındaki enerji farkını bir foton olarak serbest bırakan bir kendiliğinden emisyon süreciyle daha düşük bir duruma bozunabilir.
Alternatif olarak, uyarılmış durumdaki bir atom, ν0 frekansındaki bir elektrik alanı tarafından bozulursa, aynı frekansta ve fazda ek bir foton yayabilir, böylece dış alanı artırarak atomu daha düşük bir enerji durumunda bırakır. Bu süreç uyarılmış emisyon olarak bilinir.
Orantılılık
Spontane ve indüklenmiş emisyonu belirlemek için denklemlerde kullanılan orantı sabiti B21, söz konusu geçiş için Einstein katsayısı B olarak bilinir ve ρ(ν), ν frekansında olay alanının radyasyon yoğunluğudur. Bu nedenle, emisyon hızı, uyarılmış durumdaki N2 atomlarının sayısı ve gelen fotonların yoğunluğu ile orantılıdır. özü böyleuyarılmış emisyon fenomeni.
Aynı zamanda, enerjiyi alandan uzaklaştıran, elektronları alt halden üst seviyeye yükselten atomik absorpsiyon süreci gerçekleşecektir. Hızı temelde özdeş bir denklemle belirlenir.
Böylece net güç, bir fotonun h çarpı bu net geçiş hızının enerjisine eşit bir elektrik alanına salınır. Bunun toplam spontane ve indüklenmiş emisyonu gösteren pozitif bir sayı olması için, uyarılmış halde alt seviyede olduğundan daha fazla atom olmalıdır.
Farklılıklar
Geleneksel ışık kaynaklarına kıyasla uyarılmış emisyonun özellikleri (kendiliğinden emisyona bağlıdır), yayılan fotonların gelen fotonlarla aynı frekansa, faza, polarizasyona ve yayılma yönüne sahip olmasıdır. Böylece, ilgili fotonlar karşılıklı olarak tutarlıdır. Bu nedenle, inversiyon sırasında, gelen radyasyonun optik amplifikasyonu meydana gelir.
Enerji Değişimi
Uyarılmış emisyon tarafından üretilen enerji her zaman onu uyaran alanın tam frekansında olmasına rağmen, hız hesaplamasının yukarıdaki açıklaması yalnızca belirli bir optik frekansta uyarma için geçerlidir, uyarılmış (veya kendiliğinden) gücü emisyon denilen çizgi şekline göre azalacaktır. Yalnızca atomik veya moleküler rezonansı etkileyen tek biçimli genişleme göz önüne alındığında, spektral çizgi şekli işlevi bir Lorentz dağılımı olarak tanımlanır.
Böylece, uyarılmış emisyon bu sayede az altılır.katsayı. Pratikte, belirli bir sıcaklıkta gazdaki hızların dağılımından kaynaklanan Doppler etkisinden dolayı, homojen olmayan genişlemeden kaynaklanan çizgi şekli genişlemesi de gerçekleşebilir. Bu bir Gauss şekline sahiptir ve çizgi şekli fonksiyonunun tepe kuvvetini az altır. Pratik bir problemde, tam çizgi biçimi işlevi, ilgili tek tek çizgi biçimi işlevlerinin birleştirilmesiyle hesaplanabilir.
Uyarılmış emisyon, optik amplifikasyon için fiziksel bir mekanizma sağlayabilir. Harici bir enerji kaynağı, temel durumdaki atomların %50'sinden fazlasını uyarılmış duruma geçmeye teşvik ederse, o zaman popülasyon inversiyonu denilen şey oluşur.
Uygun frekanstaki ışık ters çevrilmiş bir ortamdan geçtiğinde, fotonlar ya temel durumda kalan atomlar tarafından emilir ya da uyarılmış atomları aynı frekans, faz ve yönde ek fotonlar yaymaları için uyarır. Uyarılmış durumda, temel duruma göre daha fazla atom bulunduğundan, sonuç giriş yoğunluğunda bir artıştır.
Radyasyon emilimi
Fizikte, elektromanyetik radyasyonun soğurulması, bir fotonun enerjisinin madde tarafından, genellikle bir atomun elektronları tarafından soğurulma şeklidir. Böylece elektromanyetik enerji, soğurucunun ısı gibi iç enerjisine dönüştürülür. Bir ortamda yayılan bir ışık dalgasının bazı fotonlarının absorpsiyonundan dolayı yoğunluğundaki azalmaya genellikle zayıflama denir.
Normalde dalga emilimiyoğunluklarına bağlı değildir (doğrusal absorpsiyon), ancak belirli koşullar altında (genellikle optikte) ortam, iletilen dalgaların yoğunluğuna ve doyurulabilir absorpsiyona bağlı olarak şeffaflığı değiştirir.
Radyasyonun belirli bir ortamda ne kadar hızlı ve verimli bir şekilde emildiğini ölçmenin birkaç yolu vardır, örneğin absorpsiyon katsayısı ve bazı yakından ilişkili türev miktarları.
Zayıflama faktörü
Çeşitli zayıflama faktörü özellikleri:
- Bazen, ancak her zaman değil, absorpsiyon faktörü ile eşanlamlı olan zayıflama faktörü.
- Molar absorpsiyon kapasitesine molar sönme katsayısı denir. Molariteye bölünen absorbanstır.
- Kütle zayıflama faktörü, yoğunluğa bölünen absorpsiyon faktörüdür.
- Soğurma ve saçılma kesitleri katsayılarla yakından ilişkilidir (sırasıyla absorpsiyon ve zayıflama).
- Astronomide yok olma, sönümleme faktörüne eşdeğerdir.
Denklemler için sabit
Radyasyon absorpsiyonunun diğer ölçümleri, penetrasyon derinliği ve cilt etkisi, yayılma sabiti, zayıflama sabiti, faz sabiti ve karmaşık dalga sayısı, karmaşık kırılma indisi ve sönme katsayısı, karmaşık geçirgenlik, elektrik direnci ve iletkenliktir.
Emilme
Soğurma (optik yoğunluk da denir) ve optikderinlik (optik kalınlık olarak da adlandırılır) birbiriyle ilişkili iki ölçüdür.
Bütün bu miktarlar, en azından bir dereceye kadar, bir ortamın radyasyonu ne kadar emdiğini ölçer. Ancak farklı alan ve yöntemlerin uygulayıcıları genellikle yukarıdaki listeden alınan farklı değerleri kullanır.
Bir nesnenin absorpsiyonu, o nesne tarafından ne kadar gelen ışığın emildiğini belirler (yansıma veya kırılma yerine). Bu, Beer-Lambert yasası yoluyla nesnenin diğer özellikleriyle ilgili olabilir.
Birçok dalga boyunda hassas absorbans ölçümleri, örneğin bir taraftan aydınlatıldığı absorpsiyon spektroskopisini kullanarak bir maddeyi tanımlamayı mümkün kılar. Birkaç absorpsiyon örneği, ultraviyole-görünür spektroskopi, kızılötesi spektroskopi ve X-ışını absorpsiyon spektroskopisidir.
Uygulama
Elektromanyetik ve indüklenen radyasyonun absorpsiyonunu anlama ve ölçmenin birçok uygulaması vardır.
Örneğin radyo ile dağıtıldığında, görüş alanı dışında sunulur.
Lazerlerin uyarılmış emisyonu da iyi bilinmektedir.
Meteoroloji ve klimatolojide, küresel ve yerel sıcaklıklar kısmen radyasyonun atmosfer gazları (örneğin, sera etkisi) ve ayrıca kara ve okyanus yüzeyleri tarafından emilmesine bağlıdır.
Tıpta, X ışınları, radyografinin temeli olan farklı dokular (özellikle kemik) tarafından değişen derecelerde emilir.
Farklı olarak kimya ve malzeme biliminde de kullanılır.malzemeler ve moleküller, radyasyonu farklı frekanslarda farklı derecelerde emerek malzemenin tanımlanmasını sağlar.
Optiklerde, güneş gözlükleri, renk filtreleri, boyalar ve diğer benzer malzemeler, hangi görünür dalga boylarını ve hangi oranlarda emdiklerini hesaba katmak için özel olarak tasarlanmıştır. Gözlüklerin yapısı, uyarılmış emisyonun ortaya çıktığı koşullara bağlıdır.
Biyolojide, fotosentetik organizmalar, kloroplastların aktif bölgesinde soğurulmak için uygun dalga boyunda ışığa ihtiyaç duyar. Bu, ışık enerjisinin şekerler ve diğer moleküller içinde kimyasal enerjiye dönüştürülebilmesi için gereklidir.
Fizikte, Dünya'nın iyonosferinin D-bölgesinin, yüksek frekanslı elektromanyetik spektruma giren ve indüklenmiş radyasyonla ilişkili radyo sinyallerini önemli ölçüde emdiği bilinmektedir.
Nükleer fizikte, nükleer radyasyonun absorpsiyonu sıvı seviyelerini, dansitometriyi veya kalınlık ölçümlerini ölçmek için kullanılabilir.
İndüklenmiş radyasyonun ana uygulamaları kuantum jeneratörleri, lazerler, optik cihazlardır.
