Emetimi i stimuluar është procesi me anë të të cilit një foton hyrës i një frekuence të caktuar mund të ndërveprojë me një elektron atomik të ngacmuar (ose gjendje tjetër molekulare të ngacmuar), duke bërë që ai të bjerë në një nivel më të ulët energjie. Energjia e liruar transferohet në fushën elektromagnetike, duke krijuar një foton të ri me një fazë, frekuencë, polarizimin dhe drejtimin e lëvizjes që janë identike me fotonet e valës rënëse. Dhe kjo ndodh në kontrast me rrezatimin spontan, i cili funksionon në intervale të rastësishme, pa marrë parasysh fushën elektromagnetike përreth.
Kushtet për marrjen e emetimit të stimuluar
Procesi është identik në formë me absorbimin atomik, në të cilin energjia e fotonit të përthithur shkakton një tranzicion atomik identik, por të kundërt: nga më i ulët nënivel më të lartë të energjisë. Në mjediset normale në ekuilibër termik, përthithja tejkalon emetimin e stimuluar sepse ka më shumë elektrone në gjendjet me energji më të ulët sesa në gjendjet më të larta të energjisë.
Megjithatë, kur është i pranishëm përmbysja e popullsisë, shkalla e emetimit të stimuluar tejkalon shkallën e përthithjes dhe mund të arrihet përforcim i pastër optik. Një medium i tillë përforcues, së bashku me një rezonator optik, përbën bazën e një lazeri ose një maseri. Në mungesë të një mekanizmi reagimi, amplifikuesit lazer dhe burimet superlumineshente funksionojnë gjithashtu në bazë të emetimit të stimuluar.
Cili është kushti kryesor për marrjen e emetimit të stimuluar?
Elektronet dhe ndërveprimet e tyre me fushat elektromagnetike janë të rëndësishme në kuptimin tonë të kimisë dhe fizikës. Në pikëpamjen klasike, energjia e një elektroni që rrotullohet rreth një bërthame atomike është më e madhe për orbitat larg bërthamës atomike.
Kur një elektron thith energjinë e dritës (fotonet) ose energjinë e nxehtësisë (fonone), ai merr këtë kuantë energjie. Por kalimet lejohen vetëm ndërmjet niveleve diskrete të energjisë, siç janë dy të paraqitura më poshtë. Kjo rezulton në linja emetimi dhe përthithjeje.
Aspekti energjetik
Më pas, do të flasim për kushtin kryesor për marrjen e rrezatimit të induktuar. Kur një elektron ngacmohet nga një nivel energjie më i ulët në një nivel më të lartë, nuk ka gjasa të qëndrojë i tillë përgjithmonë. Një elektron në një gjendje të ngacmuar mund të kalbet në një më të ulëtgjendje energjetike që nuk është e zënë, në përputhje me një konstante të caktuar kohore që karakterizon këtë tranzicion.
Kur një elektron i tillë zbërthehet pa ndikim të jashtëm, duke emetuar një foton, ky quhet emetim spontan. Faza dhe drejtimi i lidhur me një foton të emetuar është i rastësishëm. Kështu, një material me shumë atome në një gjendje kaq të ngacmuar mund të rezultojë në rrezatim që ka një spektër të ngushtë (të përqendruar rreth një gjatësi vale të vetme drite), por fotonet individuale nuk do të kenë marrëdhënie të përbashkëta fazore dhe gjithashtu do të emetohen në drejtime të rastësishme. Ky është mekanizmi i gjenerimit të fluoreshencës dhe nxehtësisë.
Fusha e jashtme elektromagnetike në frekuencën e lidhur me tranzicionin mund të ndikojë në gjendjen mekanike kuantike të atomit pa përthithje. Kur një elektron në një atom bën një kalim midis dy gjendjeve të palëvizshme (asnjëra prej të cilave nuk tregon një fushë dipole), ai hyn në një gjendje tranzicioni që ka një fushë dipole dhe vepron si një dipol i vogël elektrik që lëkundet në një frekuencë karakteristike.
Në përgjigje të një fushe elektrike të jashtme në këtë frekuencë, probabiliteti i kalimit të një elektroni në një gjendje të tillë rritet ndjeshëm. Kështu, shkalla e tranzicionit midis dy gjendjeve të palëvizshme tejkalon madhësinë e emetimit spontan. Kalimi nga një gjendje energjie më e lartë në një gjendje më të ulët krijon një foton shtesë me të njëjtën fazë dhe drejtim si fotoni i rënë. Ky është procesi i emetimit të detyruar.
Hapja
Emetimi i stimuluar ishte zbulimi teorik i Ajnshtajnit sipas teorisë së vjetër kuantike, në të cilën rrezatimi përshkruhet në termat e fotoneve, të cilat janë kuantet e fushës elektromagnetike. Një rrezatim i tillë mund të ndodhë edhe në modelet klasike pa iu referuar fotoneve ose mekanikës kuantike.
Emetimi i stimuluar mund të modelohet matematikisht duke pasur parasysh një atom që mund të jetë në një nga dy gjendjet e energjisë elektronike, një gjendje e nivelit më të ulët (ndoshta një gjendje bazë) dhe një gjendje e ngacmuar, me energji E1 dhe E2 respektivisht.
Nëse një atom është në një gjendje të ngacmuar, ai mund të kalbet në një gjendje më të ulët përmes një procesi emetimi spontan, duke çliruar diferencën e energjisë midis dy gjendjeve si një foton.
Përndryshe, nëse një atom i gjendjes së ngacmuar trazohet nga një fushë elektrike me frekuencë ν0, ai mund të lëshojë një foton shtesë të së njëjtës frekuencë dhe në fazë, duke rritur kështu fushën e jashtme, duke e lënë atomin në një gjendje energjie më të ulët. Ky proces njihet si emetim i stimuluar.
proporcionalitet
Konstanta e proporcionalitetit B21 e përdorur në ekuacionet për përcaktimin e emetimit spontan dhe të induktuar njihet si koeficienti B i Ajnshtajnit për atë tranzicion të veçantë, dhe ρ(ν) është densiteti i rrezatimit të fushës rënëse në frekuencën ν. Kështu, shkalla e emetimit është proporcionale me numrin e atomeve në gjendjen e ngacmuar N2 dhe densitetin e fotoneve të rënë. I tillë është thelbidukuritë e emetimit të stimuluar.
Në të njëjtën kohë do të zhvillohet procesi i përthithjes atomike, i cili largon energjinë nga fusha, duke ngritur elektronet nga gjendja e poshtme në atë të sipërme. Shpejtësia e tij përcaktohet nga një ekuacion në thelb identik.
Kështu, fuqia neto lëshohet në një fushë elektrike të barabartë me energjinë e një fotoni h herë më shumë këtë shpejtësi kalimi neto. Që ky të jetë një numër pozitiv, që tregon emetimin total spontan dhe të induktuar, duhet të ketë më shumë atome në gjendjen e ngacmuar sesa në nivelin më të ulët.
Diferencat
Vetitë e emetimit të stimuluar në krahasim me burimet konvencionale të dritës (të cilat varen nga emetimi spontan) është se fotonet e emetuara kanë të njëjtën frekuencë, fazë, polarizimin dhe drejtimin e përhapjes si fotonet e incidentit. Kështu, fotonet e përfshira janë reciproke koherente. Prandaj, gjatë përmbysjes, ndodh amplifikimi optik i rrezatimit rënës.
Ndryshim i Energjisë
Megjithëse energjia e gjeneruar nga emetimi i stimuluar është gjithmonë në frekuencën e saktë të fushës që e ka stimuluar, përshkrimi i mësipërm i llogaritjes së shpejtësisë vlen vetëm për ngacmimin në një frekuencë optike specifike, fuqinë e stimuluar (ose spontane) emetimi do të ulet sipas formës së quajtur të linjës. Duke marrë parasysh vetëm zgjerimin uniform që ndikon në rezonancën atomike ose molekulare, funksioni i formës së vijës spektrale përshkruhet si një shpërndarje Lorentz.
Kështu, emetimi i stimuluar reduktohet nga kjoKoeficient. Në praktikë, mund të ndodhë edhe zgjerimi i formës së vijës për shkak të zgjerimit johomogjen, kryesisht për shkak të efektit Doppler që rezulton nga shpërndarja e shpejtësive në gaz në një temperaturë të caktuar. Kjo ka një formë Gaussian dhe zvogëlon fuqinë maksimale të funksionit të formës së linjës. Në një problem praktik, funksioni i plotë i formës së vijës mund të llogaritet duke ndërthurur funksionet individuale të formës së vijës.
Emetimi i stimuluar mund të sigurojë një mekanizëm fizik për amplifikimin optik. Nëse një burim i jashtëm energjie stimulon më shumë se 50% të atomeve në gjendjen bazë për të kaluar në një gjendje të ngacmuar, atëherë krijohet ajo që quhet përmbysja e popullsisë.
Kur drita e frekuencës së duhur kalon nëpër një mjedis të përmbysur, fotonet ose absorbohen nga atomet që mbeten në gjendjen bazë ose stimulojnë atomet e ngacmuar për të emetuar fotone shtesë të së njëjtës frekuencë, fazë dhe drejtim. Meqenëse ka më shumë atome në gjendjen e ngacmuar sesa në gjendjen bazë, rezultati është një rritje në intensitetin e hyrjes.
thithja e rrezatimit
Në fizikë, përthithja e rrezatimit elektromagnetik është mënyra në të cilën energjia e një fotoni absorbohet nga materia, zakonisht elektronet e një atomi. Kështu, energjia elektromagnetike shndërrohet në energjinë e brendshme të absorbuesit, siç është nxehtësia. Ulja e intensitetit të një vale drite që përhapet në një mjedis për shkak të përthithjes së disa fotoneve të saj shpesh quhet dobësim.
Normalisht thithja e valësnuk varet nga intensiteti i tyre (përthithja lineare), megjithëse në kushte të caktuara (zakonisht në optikë) mediumi ndryshon transparencën në varësi të intensitetit të valëve të transmetuara dhe thithjes së ngopur.
Ka disa mënyra për të përcaktuar se sa shpejt dhe me efikasitet absorbohet rrezatimi në një mjedis të caktuar, si p.sh. koeficienti i përthithjes dhe disa sasi të derivateve të lidhura ngushtë.
Faktori i zbutjes
Disa veçori të faktorëve të dobësimit:
- Faktori i zbutjes, i cili ndonjëherë, por jo gjithmonë, është sinonim i faktorit të përthithjes.
- Kapaciteti përthithës molar quhet koeficienti i zhdukjes molare. Është absorbimi i ndarë me molaritetin.
- Faktori i dobësimit të masës është faktori i përthithjes i ndarë me densitetin.
- Seksionet kryq të përthithjes dhe shpërndarjes janë të lidhura ngushtë me koeficientët (përthithja dhe zbutja, respektivisht).
- Shuarja në astronomi është ekuivalente me faktorin e amortizimit.
Konstante për ekuacionet
Masa të tjera të përthithjes së rrezatimit janë thellësia e depërtimit dhe efekti i lëkurës, konstanta e përhapjes, konstanta e dobësimit, konstantja e fazës dhe numri i valëve komplekse, indeksi kompleks i thyerjes dhe koeficienti i zhdukjes, lejueshmëria komplekse, rezistenca elektrike dhe përçueshmëria.
Absorbimi
Absorbimi (i quajtur edhe dendësia optike) dhe optikthellësia (e quajtur edhe trashësia optike) janë dy masa të ndërlidhura.
Të gjitha këto sasi matin, të paktën në një farë mase, sa një medium thith rrezatim. Megjithatë, praktikuesit e fushave dhe metodave të ndryshme zakonisht përdorin vlera të ndryshme të marra nga lista e mësipërme.
Përthithja e një objekti përcakton sasinë e dritës së rënë nga ai (në vend të reflektimit ose thyerjes). Kjo mund të lidhet me vetitë e tjera të objektit nëpërmjet ligjit Beer-Lambert.
Matje të sakta të absorbimit në shumë gjatësi vale bëjnë të mundur identifikimin e një substance duke përdorur spektroskopinë e përthithjes, ku kampioni ndriçohet nga njëra anë. Disa shembuj të përthithjes janë spektroskopia ultravjollcë e dukshme, spektroskopia infra të kuqe dhe spektroskopia e përthithjes me rreze X.
Aplikacion
Të kuptuarit dhe matja e përthithjes së rrezatimit elektromagnetik dhe të induktuar ka shumë aplikime.
Kur shpërndahet, për shembull, me radio, ai paraqitet jashtë vijës së shikimit.
Emetimi i stimuluar i lazerëve është gjithashtu i njohur.
Në meteorologji dhe klimatologji, temperaturat globale dhe lokale varen pjesërisht nga përthithja e rrezatimit nga gazrat atmosferikë (për shembull, efekti serë), si dhe nga sipërfaqet e tokës dhe të oqeanit.
Në mjekësi, rrezet X përthithen në shkallë të ndryshme nga inde të ndryshme (në veçanti kockat), gjë që është baza për radiografi.
Përdoret edhe në shkencën e kimisë dhe materialeve, si të ndryshmematerialet dhe molekulat do të thithin rrezatimin në shkallë të ndryshme në frekuenca të ndryshme, duke lejuar që materiali të identifikohet.
Në optikë, syzet e diellit, filtrat e ngjyrave, ngjyrat dhe materiale të tjera të ngjashme janë projektuar posaçërisht për të marrë parasysh se çfarë gjatësi vale të dukshme thithin dhe në çfarë përmasash. Struktura e syzeve varet nga kushtet në të cilat shfaqet emetimi i stimuluar.
Në biologji, organizmat fotosintetikë kërkojnë dritën e gjatësisë valore të përshtatshme për t'u përthithur në rajonin aktiv të kloroplasteve. Kjo është e nevojshme në mënyrë që energjia e dritës të mund të shndërrohet në energji kimike brenda sheqernave dhe molekulave të tjera.
Në fizikë dihet se rajoni D i jonosferës së Tokës thith në mënyrë të konsiderueshme sinjalet e radios që hyjnë në spektrin elektromagnetik të frekuencës së lartë dhe shoqërohen me rrezatim të induktuar.
Në fizikën bërthamore, thithja e rrezatimit bërthamor mund të përdoret për të matur nivelet e lëngjeve, densitometrinë ose matjet e trashësisë.
Zbatimet kryesore të rrezatimit të induktuar janë gjeneratorët kuantikë, lazerët, pajisjet optike.
