какое излучение называют индуцированным

Индуцированное излучение: определение явления, применение, свойства

Вам будет интересно: Конструкция used to: значение и использование

Условия получения индуцированного излучения

Процесс идентичен по форме атомному поглощению, в котором энергия поглощенного фотона вызывает идентичный, но противоположный атомный переход: от более низкого к более высокому уровню энергии. В нормальных средах в тепловом равновесии поглощение превышает стимулированное излучение, потому что в состояниях с более низкой энергией больше электронов, чем в состояниях с более высокой энергией.

Вам будет интересно: Структура научного познания: его методы, формы и виды

Однако когда присутствует инверсия населенности, скорость стимулированного излучения превышает скорость поглощения и может быть достигнуто чистое оптическое усиление. Такая среда усиления, наряду с оптическим резонатором, лежит в основе лазера или мазера. Не имея механизма обратной связи, лазерные усилители и суперлюминесцентные источники также функционируют на основе вынужденного излучения.

Каково основное условие получения индуцированного излучения?

Электроны и их взаимодействия с электромагнитными полями важны в нашем понимании химии и физики. В классическом представлении энергия электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, больше для орбит, удаленных от ядра атома.

Когда электрон поглощает энергию света (фотоны) или тепла (фононы), он получает этот падающий квант энергии. Но переходы разрешены только между дискретными уровнями энергии, такими как два, показанных далее. Это приводит к появлению эмиссионных и абсорбционных линий.

Вам будет интересно: Информационные риски: понятие, анализ, оценка

Энергетический аспект

Далее речь пойдет об основном условии получения индуцированного излучения. Когда электрон возбуждается от более низкого до более высокого энергетического уровня, он вряд ли останется таким навсегда. Электрон в возбужденном состоянии может распасться до более низкого энергетического состояния, которое не занято, в соответствии с определенной постоянной времени, характеризующей этот переход.

Когда такой электрон распадается без внешнего воздействия, испуская фотон, это называется спонтанным излучением. Фаза и направление, связанные с испускаемым фотоном, являются случайными. Таким образом, материал со многими атомами в таком возбужденном состоянии может привести к излучению, которое имеет узкий спектр (центрированный вокруг одной длины волны света), но отдельные фотоны не будут иметь общих фазовых отношений и также будут излучаться в случайных направлениях. Это механизм флуоресценции и тепловыделения.

Внешнее электромагнитное поле на частоте, связанной с переходом, может влиять на квантово-механическое состояние атома без поглощения. Когда электрон в атоме совершает переход между двумя стационарными состояниями (ни одно из которых не показывает дипольное поле), он входит в переходное, которое имеет дипольное поле и действует как маленький электрический диполь, который колеблется при характерной частоте.

В ответ на внешнее электрическое поле на этой частоте вероятность перехода электрона в такое состояние значительно возрастает. Таким образом, скорость переходов между двумя стационарными состояниями превышает величину спонтанного излучения. Переход из более высокого в низкое энергетическое состояние создает дополнительный фотон с той же фазой и направлением, что и у падающего фотона. Это и есть процесс вынужденной эмиссии.

Открытие

Вынужденное излучение было теоретическим открытием Эйнштейна в рамках старой квантовой теории, в которой излучение описывается в терминах фотонов, которые являются квантами электромагнитного поля. Такое излучение также может происходить в классических моделях без привязки к фотонам или квантовой механике.

Вам будет интересно: Формулы площади поверхности правильной четырехугольной пирамиды. Расчет полной площади пирамиды Хеопса

Вынужденное излучение может быть смоделировано математически с учетом атома, который может находиться в одном из двух электронных энергетических состояний, состояния более низкого уровня (возможно, основного состояния) и возбужденного состояния, с энергиями E1 и E2 соответственно.

Если атом находится в возбужденном состоянии, он может распадаться в нижнее состояние в результате процесса самопроизвольного излучения, высвобождая разность энергий между двумя состояниями в виде фотона.

Альтернативно, если атом возбужденного состояния возмущен электрическим полем с частотой ν0, он может испускать дополнительный фотон той же частоты и в фазе, увеличивая тем самым внешнее поле, оставляя атом в состоянии с более низкой энергией. Этот процесс известен как стимулированное излучение.

Пропорциональность

В то же время будет происходить процесс атомного поглощения, который удаляет энергию из поля, поднимая электроны из нижнего состояния в верхнее. Его скорость определяется по существу идентичным уравнением.

Таким образом, чистая мощность выделяется в электрическое поле, равное энергии фотона, в h раз превышающей эту чистую скорость перехода. Чтобы это было положительное число, указывающее на суммарное спонтанное и индуцированное излучение, в возбужденном состоянии должно быть больше атомов, чем на нижнем уровне.

Различия

Свойства индуцированного излучения по сравнению с обычными источниками света (которые зависят от спонтанного излучения) состоит в том, что испускаемые фотоны имеют ту же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, что и падающие фотоны. Таким образом, вовлеченные фотоны взаимно когерентны. Поэтому при инверсии происходит оптическое усиление падающего излучения.

Изменение энергии

Хотя энергия, генерируемая стимулированным излучением, всегда находится на точной частоте поля, которое ее стимулировало, приведенное выше описание вычисления скорости относится только к возбуждению на конкретной оптической частоте, сила стимулированного (или спонтанного) излучения будет уменьшаться в соответствии с так называемой формой линии. Учитывая только однородное уширение, влияющее на атомный или молекулярный резонанс, функция формы спектральной линии описывается как распределение Лоренца.

Таким образом, стимулированное излучение уменьшается на этот коэффициент. На практике также может иметь место расширение формы линии из-за неоднородного уширения, прежде всего из-за эффекта Доплера, возникающего в результате распределения скоростей в газе при определенной температуре. Это имеет гауссову форму и уменьшает пиковую силу функции формы линии. В практической задаче полная функция формы линии может быть вычислена посредством свертки отдельных задействованных функций формы линии.

Индуцированное излучение может обеспечить физический механизм для оптического усиления. Если внешний источник энергии стимулирует более 50 % атомов в основном состоянии к переходу в возбужденное состояние, то создается то, что называется инверсией населенности.

Когда свет соответствующей частоты проходит через инвертированную среду, фотоны либо поглощаются атомами, которые остаются в основном состоянии, либо стимулируют возбужденные атомы испускать дополнительные фотоны той же частоты, фазы и направления. Поскольку в возбужденном состоянии находится больше атомов, чем в основном состоянии, в результате происходит усиление входной интенсивности.

Поглощение излучения

Вам будет интересно: Егерские полки – прообраз современного спецназа

Обычно поглощение волн не зависит от их интенсивности (линейное поглощение), хотя в определенных условиях (обычно в оптике) среда меняет прозрачность в зависимости от интенсивности проходящих волн и насыщаемого поглощения.

Существует несколько способов количественно определить, насколько быстро и эффективно поглощается излучение в определенной среде, например, коэффициент поглощения и некоторые тесно связанные производные величины.

Коэффициент ослабления

Несколько особенностей коэффициента ослабления:

Постоянные для уравнений

Другими мерами поглощения излучения являются глубина проникновения и скин-эффект, постоянная распространения, постоянная затухания, фазовая постоянная и комплексное волновое число, комплексный показатель преломления и коэффициент экстинкции, комплексная диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление и проводимость.

Абсорбция

Абсорбция (также называемая оптическая плотность) и оптическая глубина (также называемая оптическая толщина) являются двумя взаимосвязанными показателями.

Все эти величины измеряют, по крайней мере до некоторой степени, насколько среда поглощает излучение. Тем не менее, практики различных областей и методов обычно используют разные величины, взятые из списка выше.

Абсорбция объекта количественно определяет, сколько падающего света поглощается им (вместо отражения или преломления). Это может быть связано с другими свойствами объекта через закон Бера–Ламберта.

Применение

Понимание и измерение поглощения электромагнитного и индуцированного излучения имеет множество применений.

При распространении, например, по радио он представлен вне прямой видимости.

Индуцированное излучение лазеров также общеизвестно.

В метеорологии и климатологии глобальные и локальные температуры частично зависят от поглощения излучения атмосферными газами (например, парниковым эффектом), а также поверхностью суши и океана.

В медицине рентгеновские лучи в разной степени поглощаются разными тканями (в частности, костью), что является основой для рентгенографии.

В химии и материаловедении также используется, так как разные материалы и молекулы будут поглощать излучение в разной степени на разных частотах, что позволяет идентифицировать материал.

В оптике солнцезащитные очки, цветные фильтры, красители и другие подобные материалы специально разработаны с учетом того, какие видимые длины волн они поглощают и в каких пропорциях. Строение очков зависит от того, при каких условиях индуцированное излучение появляется.

В биологии фотосинтезирующие организмы требуют, чтобы свет соответствующей длины волны поглощался в активной области хлоропластов. Это нужно, чтобы энергия света могла быть преобразована в химическую энергию внутри сахаров и других молекул.

В физике известно, что D-область ионосферы Земли значительно поглощает радиосигналы, которые попадают в высокочастотный электромагнитный спектр и связаны с индуцированным излучением.

В ядерной физике поглощение ядерных излучений может быть использовано для измерения уровней жидкости, денситометрии или измерений толщины.

Источник

Тесты по атомной физике

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

Срез знаний по физике 2 полугодие 2 курс

1. Какие свойства излучения относятся к лазерному излучению?

1) высокая монохроматичность. 2) когерентность. 3) узкая направленность излучения. 4) большая мощность излучения.

А) 1; 3 Б) 2; 4 В) 1;2;3;4

2. Что такое спонтанное излучение атомов?

А) Любое излучение возбужденных атомов; Б) Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое; В) переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний под влиянием электромагнитного поля.

3. Источниками света являются:

4. Какие из перечисленных способов используют в лазерах для возбуждения атомов?

1) повышение температуры; 2) оптическая накачка; 3) бомбардировка быстрыми частицами; 4) химическая реакция.

А) Больше излучения Солнца; Б) Меньше излучения Солнца.

6. Заряды протона и электрона:

А) приблизительно равны; Б) равны по модулю;

В) заряды электрона по модулю больше заряда протона.

7. В состав ядра входят:

А) Протоны, нейтроны и электроны; Б) протоны и нейтроны;

В) протоны и электроны.

9. Ядерные силы в атомном ядре могут проявляться как:

А) силы отталкивания, так и силы притяжения;

10. Если бы действовали только кулоновские силы, то:

А) ядро (подобно черной дыре) сжалось бы, т.е. не могло существовать как ядро; Б) ядро разлетелось бы, т.е. не могло существовать

Срез знаний по физике 2 полугодие 2 курс

1. Какое излучение называют индуцированным?

А) Переход атомов из возбужденного состояния в невозбужденное любым способом; Б) Переход атомов из возбужденного состояния в невозбужденное самопроизвольно; В) Переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний, который сопровождается излучением, под влиянием внешнего электромагнитного поля.

2. Какие свойства излучения относятся к лазерному излучению?

1) когерентность; 2) высокая монохроматичность; 3) небольшая мощность излучения;

3. Возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом:

4. Для передачи информации целесообразнее использовать лазерный луч, чем радиоволну, т.к. с увеличением частоты волны лазерного луча:

А) увеличивается скорость передачи информации; Б) увеличивается объем передачи информации.

5. Электромагнитное излучение атомов дискретно. Это значит:

А) свет излучается атомами непрерывно; Б) свет излучается в виде частиц электромагнитного поля – фотонов.

6. Ядра атомов состоят:

А) из протонов и нейтронов; Б) из протонов, нейтронов и электронов; В) из протонов и электронов.

А) имеют заряд, но не имеют массы; Б) имеют массу и заряд; В) имеют массу, но не имеют заряд.

9. Какие реакции называют ядерными?

А) реакции, при которых ядра поглощают энергию; Б) Изменение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

10. Для протекания управляемой ядерной цепной реакции необходимо, чтобы коэффициент размножения нейтронов был:

А) больше 1; Б) равен 1; В) меньше 1

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Курс повышения квалификации

Современные педтехнологии в деятельности учителя

Курс профессиональной переподготовки

Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации

Номер материала: ДБ-559129

Международная дистанционная олимпиада Осень 2021

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Минобрнауки работает над изменением подходов к защите диплома

Время чтения: 1 минута

Почти все вузы в России открыли пункты вакцинации от ковида

Время чтения: 1 минута

В школе в Пермском крае произошла стрельба

Время чтения: 1 минута

Школьников не планируют переводить на удаленку после каникул

Время чтения: 1 минута

Google сможет удалять снимки с детьми из результатов поиска по запросу

Время чтения: 1 минута

Рособрнадзор оставил за регионами решение о дополнительных школьных каникулах

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Источник

Вынужденное излучение

Рис. 1a. Поглощение фотона.

Рис. 1б. Вынужденное испускание фотона.

Рис. 1в. Спонтанное испускание фотона.

Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет те же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными. [1]

Содержание

Введение. Теория Эйнштейна

Большой вклад в разработку вопроса о вынужденном излучении (испускании) внес А. Эйнштейн. Гипотеза Эйнштейна состоит в том, что под действием электромагнитного поля частоты ω молекула (атом) может:

Первый процесс принято называть поглощением, второй — вынужденным (индуцированным) испусканием, третий — спонтанным испусканием. Скорость поглощения и вынужденного испускания фотона пропорциональна вероятности соответствующего перехода: и где — коэффициенты Эйнштейна для поглощения и испускания, — спектральная плотность излучения.

Число переходов с поглощением света выражается как

с испусканием света даётся выражением:

где — коэффициент Эйнштейна, характеризующий вероятность спонтанного излучения, а — число частиц в первом или во втором состоянии соответственно. Согласно принципу детального равновесия, при термодинамическом равновесии число квантов света при переходах должно равняться числу квантов испущенных в обратных переходах

Между коэффициентами Эйнштейна существует связь, которую мы сейчас найдем.

Связь между коэффициентами

Рассмотрим замкнутую полость, стенки которой испускают и поглощают электромагнитное излучение. Такое излучение характеризуется спектральной плотностью получаемой из формулы Планка:

Так как мы рассматриваем термодинамическое равновесие, то Используя уравнения (2) и (3), находим для состояния равновесия:

При термодинамическом равновесии распределение частиц по уровням энергии подчиняется закону Больцмана :

где и — статистические веса уровней, показывающие количество независимых состояний квантовой системы, имеющих одну и ту же энергию (вырожденных). Будем считать для простоты, что статвеса уровней равны единице.

Итак, сравнивая (4) и (5) и принимая во внимание, что получим:

Так как при спектральная плотность излучения должна неограниченно возрастать, то нам следует положить знаменатель равным нулю, откуда имеем:

Далее, сопоставив (3) и (6), легко получить:

Последние два соотношения справедливы для любых комбинаций уровней энергии. Их справедливость сохраняется и при отстутствии равновесия, так как определяются только характеристикой систем и не зависят от температуры.

Свойства вынужденного испускания

По свойствам вынужденное испускание существенно отличается от спонтанного.

Применение

Последние открытия

Британские ученые смогли замедлить испускание фотона при помощи «побочных продуктов», остающихся при изготовлении квантовых точек. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters. Ее основные положения приведены в пресс-релизе Университета Ворвика, сотрудники которого принимали участие в исследовании.

В своей работе физики «замедляли» свет, продлевая время жизни экситона. Экситон представляет собой квазичастицу, возникающую при выбивании электрона фотоном с его энергетического уровня на более высокий (говорят, что электрон переходит в возбужденное состояние). Электрон и образовавшаяся на его месте «дырка» оказываются связаны друг с другом посредством зарядовых взаимодействий. Когда электрон возвращается на прежний энергетический уровень, он занимает место «дырки», а выбивший его фотон испускается системой.

Экситоны могут иметь различную природу. В частности, пару электрон-«дырка» может содержать кольцеобразный фрагмент материала, образовавшийся при производстве квантовых точек — изолированных нанообъектов, свойства которых заметно отличаются от свойств более крупных кусков такого же состава.

Авторы работы показали, что воздействие на такой квантовый бублик определенной комбинацией электрических и магнитных полей способно существенно замедлить скорость возвращения электрона на место «дырки» и испускания фотона.

Авторы работы считают, что у разработанной ими технологии большое будущее. Например, задержка испускания света может помочь в создании компьютеров, в которых фотоны используются для передачи информации.

См. также

Ссылки

Литература

А. Л. Микаэлян, М. Л. Тер-Микаелян Ю. Г. Турков. «Оптические генераторы на твёрдом теле». М.: Советское радио, 1967.

ar:انبعاث محفز ca:Emissió estimulada cs:Stimulovaná emise de:Stimulierte Emission en:Stimulated emission fi:Stimuloitu emissio fr:Émission stimulée he:פליטה מאולצת it:Emissione stimolata ja:誘導放出 ko:자극 방출 lt:Priverstinis spinduliavimas nl:Gestimuleerde emissie pl:Emisja wymuszona sv:Stimulerad emission uk:Вимушене випромінювання

Источник