Ang Stimulated emission ay ang proseso kung saan ang isang papasok na photon ng isang partikular na frequency ay maaaring makipag-ugnayan sa isang excited na atomic electron (o iba pang nasasabik na molecular state), na nagiging sanhi ng pagbaba nito sa mas mababang antas ng enerhiya. Ang inilabas na enerhiya ay inililipat sa electromagnetic field, na lumilikha ng bagong photon na may phase, frequency, polarization at direksyon ng paggalaw na kapareho ng mga photon ng incident wave. At ito ay nangyayari sa kaibahan sa kusang radiation, na gumagana sa mga random na pagitan, nang hindi isinasaalang-alang ang nakapalibot na electromagnetic field.
Mga kundisyon para sa pagkuha ng stimulated emission
Ang proseso ay magkapareho sa anyo sa atomic absorption, kung saan ang enerhiya ng absorbed photon ay nagdudulot ng magkapareho ngunit kabaligtaran na atomic transition: mula sa ibaba hanggangmas mataas na antas ng enerhiya. Sa mga normal na kapaligiran sa thermal equilibrium, ang pagsipsip ay lumampas sa stimulated emission dahil mas maraming electron sa mas mababang estado ng enerhiya kaysa sa mas mataas na estado ng enerhiya.
Gayunpaman, kapag naroroon ang pagbabaligtad ng populasyon, ang rate ng stimulated emission ay lumampas sa rate ng absorption at maaaring makamit ang purong optical amplification. Ang nasabing isang amplifying medium, kasama ang isang optical resonator, ay bumubuo ng batayan ng isang laser o isang maser. Walang mekanismo ng feedback, ang mga laser amplifier at superluminescent na mapagkukunan ay gumagana din batay sa stimulated emission.
Ano ang pangunahing kondisyon para sa pagkuha ng stimulated emission?
Ang mga electron at ang kanilang pakikipag-ugnayan sa mga electromagnetic field ay mahalaga sa ating pag-unawa sa chemistry at physics. Sa klasikal na pananaw, ang enerhiya ng isang electron na umiikot sa isang atomic nucleus ay mas malaki para sa mga orbit na malayo sa atomic nucleus.
Kapag ang isang electron ay sumisipsip ng liwanag na enerhiya (photon) o init ng enerhiya (phonon), natatanggap nito ang insidenteng quantum ng enerhiya. Ngunit pinapayagan lamang ang mga paglipat sa pagitan ng mga discrete na antas ng enerhiya, tulad ng dalawang ipinapakita sa ibaba. Nagreresulta ito sa mga linya ng emission at absorption.
Aspekto ng enerhiya
Susunod, pag-uusapan natin ang pangunahing kondisyon para sa pagkuha ng induced radiation. Kapag ang isang elektron ay nasasabik mula sa isang mas mababa hanggang sa isang mas mataas na antas ng enerhiya, ito ay malamang na hindi mananatili sa ganoong paraan magpakailanman. Ang isang electron sa isang nasasabik na estado ay maaaring mabulok sa isang mas mababangestado ng enerhiya na hindi inookupahan, alinsunod sa isang tiyak na oras na palaging nagpapakilala sa paglipat na ito.
Kapag ang naturang electron ay nabubulok nang walang panlabas na impluwensya, na naglalabas ng photon, ito ay tinatawag na spontaneous emission. Ang bahagi at direksyon na nauugnay sa isang ibinubuga na photon ay random. Kaya, ang isang materyal na may maraming mga atom sa ganoong nasasabik na estado ay maaaring magresulta sa radiation na may makitid na spectrum (nakasentro sa paligid ng isang solong wavelength ng liwanag), ngunit ang mga indibidwal na photon ay hindi magkakaroon ng mga karaniwang phase na relasyon at ilalabas din sa mga random na direksyon. Ito ang mekanismo ng fluorescence at heat generation.
Ang panlabas na electromagnetic field sa dalas na nauugnay sa paglipat ay maaaring makaapekto sa quantum mechanical state ng atom nang walang pagsipsip. Kapag ang isang electron sa isang atom ay gumawa ng transisyon sa pagitan ng dalawang nakatigil na estado (wala sa alinman sa mga ito ay nagpapakita ng isang dipole field), ito ay pumapasok sa isang estado ng paglipat na may isang dipole field at kumikilos tulad ng isang maliit na electric dipole na nag-o-oscillate sa isang katangian ng frequency.
Bilang tugon sa isang panlabas na patlang ng kuryente sa dalas na ito, ang posibilidad ng paglipat ng elektron sa ganoong estado ay tumataas nang malaki. Kaya, ang rate ng mga paglipat sa pagitan ng dalawang nakatigil na estado ay lumampas sa laki ng kusang paglabas. Ang paglipat mula sa isang mas mataas sa isang mas mababang estado ng enerhiya ay lumilikha ng isang karagdagang photon na may parehong yugto at direksyon bilang ang insidente photon. Ito ang proseso ng sapilitang pagpapalabas.
Pagbubukas
Stimulated emission ay ang teoretikal na pagtuklas ni Einstein sa ilalim ng lumang quantum theory, kung saan ang radiation ay inilalarawan sa mga tuntunin ng mga photon, na quanta ng electromagnetic field. Ang naturang radiation ay maaari ding mangyari sa mga klasikal na modelo nang walang reference sa mga photon o quantum mechanics.
Ang na-stimulate na emission ay maaaring mamodelo sa matematika dahil sa isang atom na maaaring nasa isa sa dalawang electronic na estado ng enerhiya, isang mas mababang antas ng estado (posibleng isang estado sa lupa) at isang nasasabik na estado, na may mga energies na E1 at E2 ayon sa pagkakabanggit.
Kung ang isang atom ay nasa isang nasasabik na estado, maaari itong mabulok sa isang mas mababang estado sa pamamagitan ng isang proseso ng kusang paglabas, na naglalabas ng pagkakaiba ng enerhiya sa pagitan ng dalawang estado bilang isang photon.
Bilang kahalili, kung ang isang nasasabik na atom ng estado ay nababagabag ng isang electric field ng frequency ν0, maaari itong maglabas ng karagdagang photon ng parehong frequency at sa phase, sa gayon ay tumataas ang panlabas na field, na iniiwan ang atom sa isang mas mababang estado ng enerhiya. Ang prosesong ito ay kilala bilang stimulated emission.
Proporsyonalidad
Ang constant ng proportionality B21 na ginamit sa mga equation para sa pagtukoy ng spontaneous at induced emission ay kilala bilang Einstein coefficient B para sa partikular na transition na iyon, at ang ρ(ν) ay ang radiation density ng incident field sa frequency ν. Kaya, ang rate ng paglabas ay proporsyonal sa bilang ng mga atomo sa nasasabik na estado N2 at ang density ng mga photon ng insidente. Ganyan ang kakanyahanphenomena ng stimulated emission.
Kasabay nito, ang proseso ng atomic absorption ay magaganap, na nag-aalis ng enerhiya mula sa field, na nagpapataas ng mga electron mula sa mababang estado patungo sa itaas. Ang bilis nito ay natutukoy sa pamamagitan ng isang mahalagang magkatulad na equation.
Kaya, ang net power ay inilalabas sa isang electric field na katumbas ng enerhiya ng isang photon h beses sa netong transition rate na ito. Upang ito ay maging isang positibong numero, na nagsasaad ng kabuuang spontaneous at induced emission, dapat mayroong mas maraming atom sa excited state kaysa sa lower level.
Mga Pagkakaiba
Ang mga katangian ng stimulated emission kumpara sa conventional light sources (na nakadepende sa spontaneous emission) ay ang mga emitted photon ay may parehong frequency, phase, polarization at direksyon ng propagation gaya ng incident photon. Kaya, ang mga kasangkot na photon ay magkakaugnay. Samakatuwid, sa panahon ng inversion, nangyayari ang optical amplification ng radiation ng insidente.
Pagbabago sa Enerhiya
Bagama't ang enerhiya na nabuo sa pamamagitan ng stimulated emission ay palaging nasa eksaktong frequency ng field na nagpasigla nito, ang paglalarawan sa itaas ng pagkalkula ng bilis ay nalalapat lamang sa paggulo sa isang partikular na optical frequency, ang lakas ng stimulated (o spontaneous) bababa ang emission ayon sa tinatawag na line shape. Isinasaalang-alang lamang ang pare-parehong pagpapalawak na nakakaapekto sa atomic o molecular resonance, ang spectral line shape function ay inilalarawan bilang Lorentz distribution.
Kaya, ang stimulated emission ay nababawasan nitokoepisyent. Sa pagsasagawa, ang pagpapalawak ng linesshape dahil sa hindi magkakatulad na pagpapalawak ay maaari ding maganap, pangunahin dahil sa epekto ng Doppler na nagreresulta mula sa pamamahagi ng mga bilis sa gas sa isang tiyak na temperatura. Mayroon itong hugis Gaussian at binabawasan ang pinakamataas na lakas ng function ng hugis ng linya. Sa isang praktikal na problema, ang kumpletong lineshape function ay maaaring kalkulahin sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga indibidwal na lineshape function na kasangkot.
Stimulated emission ay maaaring magbigay ng pisikal na mekanismo para sa optical amplification. Kung pinasisigla ng panlabas na pinagmumulan ng enerhiya ang higit sa 50% ng mga atomo sa ground state upang lumipat sa isang excited na estado, kung gayon ang tinatawag na population inversion ay nagagawa.
Kapag ang liwanag ng naaangkop na frequency ay dumaan sa isang baligtad na medium, ang mga photon ay maaaring hinihigop ng mga atom na nananatili sa ground state o pinasisigla ang mga nasasabik na atom upang maglabas ng karagdagang mga photon ng parehong frequency, phase at direksyon. Dahil mas maraming atom ang nasa excited na estado kaysa sa ground state, ang resulta ay isang pagtaas sa intensity ng input.
Radiation absorption
Sa pisika, ang pagsipsip ng electromagnetic radiation ay ang paraan kung saan ang enerhiya ng isang photon ay sinisipsip ng bagay, kadalasan ang mga electron ng isang atom. Kaya, ang electromagnetic energy ay na-convert sa panloob na enerhiya ng absorber, tulad ng init. Ang pagbaba sa intensity ng isang light wave na nagpapalaganap sa isang medium dahil sa pagsipsip ng ilan sa mga photon nito ay madalas na tinatawag na attenuation.
Normally wave absorptionay hindi nakadepende sa kanilang intensity (linear absorption), bagama't sa ilalim ng ilang partikular na kundisyon (karaniwan sa mga optika) nagbabago ang transparency ng medium depende sa intensity ng transmitted waves at saturable absorption.
May ilang paraan upang matukoy kung gaano kabilis at kahusay ang pag-absorb ng radiation sa isang partikular na kapaligiran, gaya ng absorption coefficient at ilang malapit na nauugnay na derivative na dami.
Attenuation factor
Maraming feature ng attenuation factor:
- Attenuation factor, na kung minsan, ngunit hindi palaging, ay kasingkahulugan ng absorption factor.
- Molar absorption capacity ay tinatawag na molar extinction coefficient. Ito ay ang absorbance na hinati sa molarity.
- Ang mass attenuation factor ay ang absorption factor na hinati sa density.
- Ang absorption at scattering cross section ay malapit na nauugnay sa mga coefficient (absorption at attenuation, ayon sa pagkakabanggit).
- Extinction sa astronomy ay katumbas ng damping factor.
Constant para sa mga equation
Ang iba pang mga sukat ng pagsipsip ng radiation ay ang lalim ng pagtagos at epekto ng balat, pare-pareho ang propagation, pare-pareho ang attenuation, pare-pareho ang phase at kumplikadong numero ng wave, complex refractive index at extinction coefficient, complex permittivity, electrical resistivity at conductivity.
Pagsipsip
Absorption (tinatawag ding optical density) at opticalang lalim (tinatawag ding optical na kapal) ay dalawang magkaugnay na sukat.
Lahat ng mga dami na ito ay sumusukat, kahit sa ilang lawak, kung gaano karami ang naa-absorb ng isang daluyan ng radiation. Gayunpaman, ang mga practitioner ng iba't ibang larangan at pamamaraan ay karaniwang gumagamit ng iba't ibang halaga na kinuha mula sa listahan sa itaas.
Ang pagsipsip ng isang bagay ay binibilang kung gaano karaming liwanag ng insidente ang naa-absorb nito (sa halip na repleksiyon o repraksyon). Maaaring nauugnay ito sa iba pang mga katangian ng bagay sa pamamagitan ng batas ng Beer–Lambert.
Ang mga tumpak na sukat ng absorbance sa maraming wavelength ay ginagawang posible upang matukoy ang isang substance gamit ang absorption spectroscopy, kung saan ang sample ay iluminado mula sa isang gilid. Ang ilang halimbawa ng pagsipsip ay ang ultraviolet-visible spectroscopy, infrared spectroscopy, at X-ray absorption spectroscopy.
Application
Ang pag-unawa at pagsukat sa pagsipsip ng electromagnetic at induced radiation ay may maraming aplikasyon.
Kapag ipinamahagi, halimbawa, sa pamamagitan ng radyo, ito ay ipinakita nang wala sa paningin.
Kilala rin ang stimulated emission ng mga laser.
Sa meteorology at climatology, ang global at lokal na temperatura ay bahagyang nakadepende sa pagsipsip ng radiation ng mga atmospheric gas (halimbawa, ang greenhouse effect), gayundin ang mga ibabaw ng lupa at karagatan.
Sa medisina, ang X-ray ay naa-absorb sa iba't ibang antas ng iba't ibang tissue (lalo na, buto), na siyang batayan para sa radiography.
Ginagamit din sa agham ng kimika at materyales, na naiibaang mga materyales at molekula ay sumisipsip ng radiation sa iba't ibang antas sa iba't ibang frequency, na nagpapahintulot sa materyal na makilala.
Sa optika, mga salaming pang-araw, mga filter ng kulay, mga tina at iba pang katulad na materyales ay espesyal na idinisenyo upang isaalang-alang kung anong mga nakikitang wavelength ang kanilang nasisipsip at sa kung anong mga proporsyon. Ang istraktura ng mga salamin ay nakasalalay sa mga kondisyon kung saan lumilitaw ang stimulated emission.
Sa biology, ang mga photosynthetic na organismo ay nangangailangan ng liwanag ng naaangkop na wavelength upang masipsip sa aktibong rehiyon ng mga chloroplast. Ito ay kinakailangan upang ang liwanag na enerhiya ay ma-convert sa kemikal na enerhiya sa loob ng mga asukal at iba pang mga molekula.
Kilala sa physics na ang D-region ng ionosphere ng Earth ay makabuluhang sumisipsip ng mga signal ng radyo na nahuhulog sa high-frequency electromagnetic spectrum at nauugnay sa induced radiation.
Sa nuclear physics, ang absorption ng nuclear radiation ay maaaring gamitin upang sukatin ang mga antas ng likido, densitometry, o mga sukat ng kapal.
Ang mga pangunahing aplikasyon ng induced radiation ay mga quantum generator, laser, optical device.
