какое излучение называется спонтанным
Спонтанное излучение
Под спонтанным излучением или спонтанным испусканием понимается процесс самопроизвольного испускания электромагнитного излучения квантовыми системами (атомами, молекулами) при их переходе из возбужденного состояния в стабильное состояние.
Примерно так трактует спонтанное излучение Википедия, ну и, естественно, все научное сообщество. О причине спонтанного излучения ученые рассуждают так:
“Процесс спонтанного излучения невозможно объяснить с точки зрения позиций первоначальной версии квантовой механики, где имело место квантование уровней энергии атома, но не было квантования электромагнитного поля. Возбужденные состояния атомов представляют собой точные стационарные решения уравнения Шредингера. Таким образом, атомы должны оставаться неограниченно долго в возбужденном состоянии. Причиной спонтанного излучения является взаимодействие атома с нулевыми колебаниями электромагнитного поля в вакууме. Состояния атома перестают быть стационарными в результате воздействия составляющей нулевых колебаний с частотой, равной частоте испускаемого кванта”.
Как видим, наука полагает, что спонтанное излучение – это самопроизвольное действие, но все-таки не слишком самопроизвольное, ибо для него нужны внешние нулевые колебания электромагнитного поля в вакууме. Не будь этих нулевых колебаний и расхристанности самопроизвольным действиям приходит конец. И главное они спасают теорию Шредингера. Если бы этих нулевых колебаний не было, то все возбужденные состояния атомов были бы очевидно стационарными. А нынешние стационарные состояния стали бы еще стационарнее. Почему получается такая абракадабра? А очень просто. Нет более-менее приличной модели атома и фотона.
С моделью Шредингера можно работать только за пределами здравой логики, куда ученые загнали квантовую механику, с виртуальными математическими образами, которые существуют только в головах ученых. Явным образом в природе ничего этого нет.
Приходится работать с моделью Бора, а она не убедительна. Уж не знаю, почему, но при построении модели атома учитывались только силы притяжения между ядром и электроном, инерционность электрона и квантовая способность излучать и поглощать ускоряющимся электроном кванта. Почему не учитывалась магнитная составляющая ядра?
В точке 1 силы фотона (ранее отраженного) и электрического поля ядра тянут электрон к ядру, ускоряют его и заставляют излучить поглощенный фотон обратно, а магнитное поле ядра все время пытается изменить траекторию электрона в сторону. В точке 2 на электрон действует сила притяжения только электрическая, так как фотон был поглощен в точке 1, и если бы не было никаких других сил, то электрон летел бы прямо по инерции. И в тоже время в точке 2 возросло магнитное поле (ближе к ядру магнитное поле возрастает), которое и направило электрон в точку 3.
В точке 3 процесс повторяется и так далее. Если параметры сил и в особенности фотона таковы, что электрон после всех циклов попадет после облета ядра снова строго в точку 1 (Рис. 2)
Квант – это примерно 1/10 41 часть электрона. То есть размер кванта на много меньше размера электрона. Фотон состоит из квантов и даже если в нем будет миллиард квантов, то он тоже будет много меньше электрона. Взаимодействие фотона и электрона происходит только в том случае, когда фотон, движущийся прямо, попадает в электрон или, скажем осторожнее, в его эффективное сечение. Это значит, что на стационарной орбите фотон должен не только попадать в электрон, но и попадать в одно и то же место на нем (Рис. 3).
Если обменный фотон будет попадать в электрон по линии а, то эта связь между ядром и электроном будет существовать вечно, естественно, при отсутствии внешних возмущений. Путь фотона в атоме 1-о-5, а путь электрона 1-2-3-4-5. Энергия обменного фотона зависит в некоторой степени от режима входа электрона в точку 1.
В точке 1 действуют определенные силы электрические и магнитные, которые в зависимости от скорости электрона заставят его генерировать фотон соответствующей энергии. Если суммарное время генерации (tизл), распространения (2tраспр) и поглощения (tпогл) фотона будет равно времени движения электрона от точки 1 до точки 5, то фотон попадет в точку а электрона.
Но может случиться так, что при несколько другой входной скорости электрона в точку 1 эти же силы сформируют фотон другой энергии: большей или меньшей энергии в отличие от номинальной, при которой он попадает в точку а. В этом случае время генерации и поглощения будут больше или меньше номинальных времен. Может получиться так, что время движения фотона от 1 до 5 будет несколько больше или меньше времени движения электрона от точки 1 до точки 5. В этих случаях точка встречи фотона и электрона сдвинется на электроне в сторону линии ос или линии ob.
Чем больше обменный фотон отличается по энергии от номинального фотона, тем дальше сдвигается точка взаимодействия по электрону от точки а. Такой сдвиг происходит на такую же величину в каждом цикле обмена. Сколько таких циклов обмена электрона мы не знаем, особенно во много электронных атомах.
С каждым оборотом электрона сдвиг все увеличивается и увеличивается и, в конце концов, наступает момент, когда фотон пролетит мимо электрона, не взаимодействуя с ним. Это и есть акт спонтанного излучения фотона атомом. Такое излучение ничем не провоцируется извне и нам кажется, что атом излучил фотон без видимой причины.
Примеров таких излучений много. Как пишет Википедия:
1. Флуоресценция – “Это физическое явление, суть которого заключается в кратковременном поглощении кванта света флюорофором (веществом, способным флюоресцировать) с последующей быстрой эмиссией кванта, который имеет свойства, отличные от исходного”.
Мы не будем в этой статье анализировать физику этого явления, только отметим, что последующее излучение происходит относительно быстро.
2. “Фосфоресценция – это особый тип фотолюминесценции. В отличие от флуоресцентного, фосфоресцентное вещество излучает поглощенную энергию не сразу”.
Здесь излучение может длиться несколько часов. Дальше идет путаное объяснение, почему так.
Есть еще множество видов таких излучений: люминесценция, хемолюминесценция, биолюминесценция и т.д. Да разогретый до красна кусок железа спонтанно излучает фотоны видимого, инфракрасного и других видов спектра. Простое остывание тела есть спонтанное излучение тепловых фотонов. Но нигде нет внятного описания физической сущности этих явлений.
Если же рассматривать эти явления с точки зрения квантовой модели атома, то все становится очевидным. Мало того можно предположить, что такие квазистационарные состояния атомов очень распространенное явление. Если обменный фотон отличается от номинального фотона на 1 квант, то возможно, что этот электрон будет существовать на данном уровне миллионы или миллиарды лет. Это можно просчитать, все данные можно получить.
Так как после излучения фотона электрон переходит на более быстрый уровень, то есть ближе “прижимается” к ядру, то можно предположить, что именно так эволюционно формировались атомы. Это предположение подтверждается наличием ионов.
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Спонтанное и вынужденное излучение
Атом, находящийся в возбужденном состоянии, самопроизвольно переходит в основное состояние или на более низкий энергетический уровень.
Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе из одного состояния в другое, называется спонтанным излучением. Спонтанное излучение различных атомов происходит индивидуально, так как каждый атом начинает и заканчивает излучение независимо от других.
В 1916 г. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний и сопровождающее этот акт излучение могут происходить также под влиянием внешнего электромагнитного поля. Такое излучение называют вынужденным, или индуцированным.
Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при совпадении частоты электромагнитного поля с собственной частотой излучения возбужденного атома. В результате взаимодействия возбужденного атома, готового испустить фотон с энергией \(
h\nu,\) вынуждающим этот переход, получаются два совершенно одинаковых по энергии и направлению движения фотона-близнеца (рис. 20.10). Пролетающий фотон как бы «стряхивает» с возбужденного атома подобный себе фотон, не затрачивая на это энергию. С точки зрения волновой теории атом излучает электромагнитную волну, совершенно одинаковую по направлению распространения, частоте, фазе и поляризации с той, которая вынудила атом излучать. В итоге получается результирующая волна с амплитудой большей, чем у падающей. Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно.
При хаотическом тепловом движении распределение энергии среди атомов неравномерно. Некоторая часть атомов возбуждена, что соответствует их нахождению на более высоких, чем основной, уровнях энергии. В условиях теплового равновесия и при отсутствии внешнего электромагнитного поля большая часть атомов находится в невозбужденном состоянии. Образно говоря, населенность верхних уровней меньше населенности нижних.
Под влиянием внешних воздействий — повышения температуры, освещения, бомбардировки быстрыми частицами — доля возбужденных атомов возрастает, т.е. населенность верхних уровней увеличивается.
Казалось бы, по мере повышения температуры можно получить такое распределение частиц по уровням, при котором населенность верхних уровней больше, чем нижних. Но это не так. Ведь возбужденное состояние неустойчиво. По мере увеличения заселенности верхних уровней увеличивается вероятность спонтанных переходов, сопровождаемых излучением.
В 1939 г. В. А. Фабрикант высказал предположение о возможности создания такого распределения частиц по энергиям, при котором число возбужденных атомов больше числа атомов, находящихся в основном состоянии. Такое состояние называют состоянием с инверсной заселенностью уровней. Ему присущи особые свойства.
При распространении света в веществе обычно наблюдается поглощение света. Это происходит потому, что в состоянии термодинамического равновесия число невозбужденных атомов в веществе много больше, чем число возбужденных, и, следовательно, фотоны чаще взаимодействуют с невозбужденными атомами, т.е. поглощаются веществом.
В веществе же с инверсной населенностью уровней число возбужденных атомов больше числа невозбужденных. При этом уменьшается вероятность встречи фотонов с невозбужденным атомом, т.е. уменьшается вероятность поглощения фотонов. Вещество становится более прозрачным или даже способным усиливать свет. Действительно, если в нем движется фотон, энергия которого в точности равна разности энергий атомов в состояниях W2 и W1 то, взаимодействуя с возбужденным атомом, такой фотон вызовет индуцированное излучение. В результате появится второй такой же фотон. Взаимодействуя с другими двумя возбужденными атомами, эти два фотона вызовут «высвечивание» еще двух атомов. В конечном счете вместо одного фотона из вещества выйдет много фотонов, т.е. будет иметь место усиление света.
Среда называется активной, если в ней число индуцированных фотонов превышает число поглощенных.
Создать инверсную населенность в системе, состоящей из двух энергетических уровней путем длительного освещения вещества мощным световым импульсом, невозможно. Во-первых, с увеличением концентрации частиц на верхнем уровне возрастает вероятность спонтанных переходов; во-вторых, возбуждающее излучение вызывает индуцированное излучение, переводящее частицы на нижний уровень.
Пусть уровень 2 с энергией W2 (рис. 20.11, а) метастабильный, характеризуемый «временем жизни» в 1000 раз больше, чем «время жизни» уровня 3 W3 (\(
При наличии уровня 2 возможны спонтанные переходы из состояния 3 не только в основное состояние 2, но и на метастабильный уровень 2. Оба перехода сопровождаются излучением электронов соответствующей энергии:
Большое различие во временах жизни в состояниях 3 и 2 приводит к тому, что под действием возбуждающего фотона с энергией \(
Если направить в предварительно подготовленное таким образом вещество квант электромагнитного излучения \(
Система атомов с инверсной населенностью уровней способна не только усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение. Для работы в режиме генератора необходима положительная обратная связь, при которой часть сигнала с выхода устройства подается на его вход. Для этого активная среда, в которой создается инверсная населенность уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал.
В результате одного из спонтанных переходов атомов с метастабильного уровня на основной возникает фотон с энергией \(
h\nu_<21>\) каждый. После отражения от зеркала лавина фотонов движется в противоположном направлении, попутно заставляя высвечиваться с метастабильного уровня возбужденные атомы, оставшиеся в этом состоянии.
Рассмотренный принцип усиления и генерации электромагнитного излучения был предложен советскими физиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым и одновременно американским физиком Ч. Таунсом.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 583-586.
Какое излучение называется спонтанным
§ 6 Поглощение.
Спонтанное и вынужденное излучение
В нормальных условиях (при отсутствии внешних воздействий) большая часть электронов в атомах находятся на самом низком невозбужденном уровне Е1, т.е. атом обладает минимальным запасом внутренней энергии, остальные уровни Е2, Е3. Е n , соответствующие возбужденным состояниям, обладают минимальной заселенностью электронами или вообще свободны. Если атом находится в основном состоянии с Е1, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние с Е2. Вероятность таких переходов пропорциональна плотности излучения, вызывающего эти переходы.
Атом, находясь в возбужденном состоянии 2, может через некоторое время спонтанно самопроизвольно (без внешних воздействий) перейти в состояние с низшей энергией, отдавая избыточную энергию в виде электромагнитного излучения, т.е. испуская фотон.
Процесс испускания фотона возбужденным атомом без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (самопроизвольным) излучением. Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше среднее время жизни атома в возбужденном состоянии. Т.к. спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение не когерентно.
Эйнштейн и Дирак доказали тождественность вынужденного излучения вынуждающему излучению: они имеют одинаковую фазу, частоту, поляризацию и направление распространения. Þ Вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.
Испущенные фотоны, двигаясь в одном направлении и, встречая другие возбужденные атомы, стимулируют дальнейшие индуцированные переходы, и число фотонов растет лавинообразно. Однако наряду с вынужденным излучением будет происходить поглощение. Поэтому для усиления падающего излучения необходимо, чтобы число фотонов в вынужденных излучениях (которое пропорционально заселенности возбужденных состояний) превышало число поглощенных фотонов. В системе атомы находятся в термодинамическом равновесии, поглощение будет преобладать над вынужденным излучением, т.е. падающее излучение при прохождении через вещество будет ослабляться.
Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденном состоянии больше, чем в основном. Такие состояния называются состояниями с инверсией заселенностей. Процесс создания неравновесного состояния вещества называется накачкой. Накачку можно осуществить оптическими, электрическими и другими способами.
Согласно законам квантовой механики, энергия электрона в атоме не произвольна: она может иметь лишь определенный (дискретный) ряд значений Е1, Е2, Е3. Е n , называемых уровнями энергии. Значения эти различны для разных атомов. Набор дозволенных значений энергии носит название энергетического спектра атома. В нормальных условиях (при отсутствии внешних воздействий) большая часть электронов в атомах пребывает на самом низком возбужденном уровне Е1, т.е. атом обладает минимальным запасом внутренней энергии; остальные уровни Е2, Е3. Е n соответствуют более высокой энергии атома и называются возбужденными.
Возбужденный атом может отдать свою некоторую избыточную энергию, полученную от внешнего источника или приобретенную им в результате теплового движения электронов, двумя различными способами.
Всякое возбужденное состояние атома неустойчиво, и всегда существует вероятность его самопроизвольного перехода в более низкое энергетическое состояние с испусканием кванта электромагнитного излучения. Такой переход называют спонтанным (самопроизвольным). Он носит нерегулярный, хаотический характер. Все обычные источники дают свет в результате спонтанного испускания.
Таков первый механизм испускания (электромагнитного излучения). В рассмотренной двухуровневой схеме испускания света никакого усиления излучения добиться не удастся. Поглощенная энергия h n выделяется в виде кванта с той же энергией h n и можно говорить о термодинамическом равновесии: процессы возбуждения атомов в газе всегда уравновешены обратными процессами испукания.
§2 Трехуровневая схема
В атомах вещества при термодинамическом равновесии на каждом последующем возбужденном уровне находится меньше электронов, чем на предыдущем. Если подействовать на систему возбуждающим излучением с частотой, попадающей в резонанс с переходом между уровнями 1 и 3 (схематично 1 → 3), то атомы будут поглощать это излучение и переходить с уровня 1 на уровень 3. Если интенсивность излучения достаточно велика, то число атомов, перешедших на уровень 3, может быть весьма значительным и мы, нарушив равновесное распределение населенностей уровней, увеличим населенность уровня 3 и уменьшим, следовательно, населенность уровня 1.
В результате и возникает инверсия, т.е. обратное инверсное распределение населенностей уровней. Инверсия населенностей энергетических уровней создается интенсивным вспомогательным излучением, называемым излучением накачки и приводит в конечном итоге к индуцированному (вынужденному) размножению фотонов в инверсной среде.
Такие условия создаются только для осевых волн. Кванты других направлений не способны забрать заметную часть запасенной в активной среде энергии.
Выходящая из лазера волна имеет почти плоский фронт, высокую степень пространственной и временной когерентности по всему сечению пучка.
В лазерах в качестве активной среды применяют различные газы и газовые смеси (газовые лазеры), кристаллы и стекла с примесями определенных ионов (твердотельные лазеры), полупроводники (полупроводниковые лазеры).
