Խթանված արտանետումն այն գործընթացն է, որով որոշակի հաճախականության ներգնա ֆոտոն կարող է փոխազդել գրգռված ատոմային էլեկտրոնի (կամ այլ գրգռված մոլեկուլային վիճակի հետ)՝ հանգեցնելով այն իջնել ավելի ցածր էներգիայի մակարդակի: Ազատված էներգիան փոխանցվում է էլեկտրամագնիսական դաշտ՝ ստեղծելով նոր ֆոտոն՝ փուլով, հաճախականությամբ, բևեռացումով և շարժման ուղղությամբ, որոնք նույնական են միջադեպի ալիքի ֆոտոններին: Եվ դա տեղի է ունենում ի տարբերություն ինքնաբուխ ճառագայթման, որն աշխատում է պատահական ընդմիջումներով՝ առանց շրջակա էլեկտրամագնիսական դաշտը հաշվի առնելու։
Խթանված արտանետումների ստացման պայմաններ
Գործընթացը ձևով նույնական է ատոմային կլանմանը, որի դեպքում կլանված ֆոտոնի էներգիան առաջացնում է նույնական, բայց հակառակ ատոմային անցում. ցածրից դեպիէներգիայի ավելի բարձր մակարդակ: Ջերմային հավասարակշռության նորմալ միջավայրում կլանումը գերազանցում է խթանված արտանետումը, քանի որ ավելի ցածր էներգիայի վիճակներում ավելի շատ էլեկտրոններ կան, քան բարձր էներգիայի վիճակներում:
Սակայն, երբ առկա է բնակչության ինվերսիա, խթանված արտանետումների արագությունը գերազանցում է կլանման արագությունը և կարելի է հասնել մաքուր օպտիկական ուժեղացման: Նման ուժեղացնող միջավայրը օպտիկական ռեզոնատորի հետ միասին կազմում է լազերի կամ մասերի հիմքը։ Չունենալով հետադարձ կապի մեխանիզմ՝ լազերային ուժեղացուցիչներն ու գերլուսավոր աղբյուրները նույնպես գործում են խթանված արտանետումների հիման վրա։
Ո՞րն է խթանված արտանետում ստանալու հիմնական պայմանը:
Էլեկտրոնները և նրանց փոխազդեցությունը էլեկտրամագնիսական դաշտերի հետ կարևոր նշանակություն ունեն քիմիայի և ֆիզիկայի մեր ըմբռնման համար: Դասական տեսակետի համաձայն՝ ատոմի միջուկի շուրջ պտտվող էլեկտրոնի էներգիան ավելի մեծ է ատոմային միջուկից հեռու ուղեծրերի դեպքում։
Երբ էլեկտրոնը կլանում է լույսի էներգիան (ֆոտոններ) կամ ջերմային էներգիան (ֆոնոններ), այն ստանում է էներգիայի այս անկման քվանտը: Բայց անցումները թույլատրվում են միայն էներգիայի դիսկրետ մակարդակների միջև, ինչպիսիք են ստորև ներկայացված երկուսը: Սա հանգեցնում է արտանետումների և կլանման գծերի:
Էներգետիկ ասպեկտ
Հաջորդում կխոսենք ինդուկտիվ ճառագայթման ստացման հիմնական պայմանի մասին։ Երբ էլեկտրոնը հուզվում է ավելի ցածր էներգիայի մակարդակից դեպի ավելի բարձր էներգիա, դժվար թե այն հավերժ մնա այդպիսին: Գրգռված վիճակում գտնվող էլեկտրոնը կարող է քայքայվել մինչև ավելի ցածրէներգետիկ վիճակ, որը զբաղված չէ՝ այս անցումը բնութագրող որոշակի ժամանակային հաստատունին համապատասխան։
Երբ նման էլեկտրոնը քայքայվում է առանց արտաքին ազդեցության՝ արձակելով ֆոտոն, դա կոչվում է ինքնաբուխ արտանետում: Արտանետվող ֆոտոնի հետ կապված փուլը և ուղղությունը պատահական են: Այսպիսով, նման գրգռված վիճակում գտնվող բազմաթիվ ատոմներով նյութը կարող է հանգեցնել ճառագայթման, որն ունի նեղ սպեկտր (կենտրոնացված է լույսի մեկ ալիքի երկարության շուրջ), բայց առանձին ֆոտոնները չեն ունենա ընդհանուր փուլային հարաբերություններ և կարձակվեն նաև պատահական ուղղություններով: Սա ֆլուորեսցենցիայի և ջերմության առաջացման մեխանիզմն է։
Անցման հետ կապված հաճախականության արտաքին էլեկտրամագնիսական դաշտը կարող է ազդել ատոմի քվանտային մեխանիկական վիճակի վրա՝ առանց կլանման: Երբ ատոմում գտնվող էլեկտրոնն անցում է կատարում երկու անշարժ վիճակների միջև (որոնցից ոչ մեկը ցույց չի տալիս դիպոլային դաշտ), այն անցնում է անցումային վիճակի, որն ունի դիպոլային դաշտ և գործում է որպես փոքր էլեկտրական դիպոլ, որը տատանվում է բնորոշ հաճախականությամբ:
Այս հաճախականությամբ արտաքին էլեկտրական դաշտին ի պատասխան՝ էլեկտրոնի նման վիճակին անցնելու հավանականությունը զգալիորեն մեծանում է։ Այսպիսով, երկու անշարժ վիճակների միջև անցումների արագությունը գերազանցում է ինքնաբուխ արտանետումների մեծությունը: Ավելի բարձր էներգիայի վիճակից ավելի ցածր էներգիայի վիճակից անցումը ստեղծում է լրացուցիչ ֆոտոն՝ նույն փուլով և ուղղությամբ, ինչ ընկնող ֆոտոնը: Սա հարկադիր արտանետման գործընթացն է։
Բացում
Խթանված արտանետումը Էյնշտեյնի տեսական հայտնագործությունն էր հին քվանտային տեսության ներքո, որտեղ ճառագայթումը նկարագրվում է ֆոտոնների տեսքով, որոնք էլեկտրամագնիսական դաշտի քվանտաներ են: Նման ճառագայթումը կարող է առաջանալ նաև դասական մոդելներում՝ առանց ֆոտոնների կամ քվանտային մեխանիկայի հղումների։
Խթանված արտանետումը կարելի է մաթեմատիկորեն մոդելավորել՝ հաշվի առնելով ատոմը, որը կարող է լինել երկու էլեկտրոնային էներգիայի վիճակներից մեկում՝ ավելի ցածր մակարդակի (հնարավոր է հիմնական վիճակ) և գրգռված վիճակում՝ համապատասխանաբար E1 և E2 էներգիաներով:
Եթե ատոմը գրգռված վիճակում է, այն կարող է քայքայվել ավելի ցածր վիճակի ինքնաբուխ արտանետման գործընթացի միջոցով՝ ազատելով երկու վիճակների միջև էներգիայի տարբերությունը որպես ֆոտոն:
Այլընտրանք, եթե գրգռված վիճակի ատոմը խաթարում է ν0 հաճախականությամբ էլեկտրական դաշտը, այն կարող է արտանետել նույն հաճախականությամբ և փուլային լրացուցիչ ֆոտոն՝ դրանով իսկ մեծացնելով արտաքին դաշտը՝ ատոմը թողնելով ավելի ցածր էներգիայի վիճակում։. Այս գործընթացը հայտնի է որպես խթանված արտանետում:
համաչափություն
Համաչափության B21 հաստատունը, որն օգտագործվում է ինքնաբուխ և ինդուկտիվ արտանետումների որոշման համար հավասարումների մեջ, հայտնի է որպես Էյնշտեյնի B գործակից այդ որոշակի անցման համար, և ρ(ν)-ը անկման դաշտի ճառագայթման խտությունն է հաճախականության ν: Այսպիսով, արտանետումների արագությունը համամասնական է գրգռված N2 վիճակում գտնվող ատոմների քանակին և ընկնող ֆոտոնների խտությանը։ Այդպիսին է էությունըխթանված արտանետման երևույթներ.
Միաժամանակ տեղի կունենա ատոմային կլանման պրոցեսը, որը դաշտից հեռացնում է էներգիան՝ էլեկտրոնները ստորին վիճակից բարձրացնելով վերին։ Նրա արագությունը որոշվում է էապես նույնական հավասարմամբ։
Այսպիսով, զուտ հզորությունը թողարկվում է էլեկտրական դաշտի մեջ, որը հավասար է ֆոտոնի էներգիային h-ի այս զուտ անցումային արագության: Որպեսզի սա լինի դրական թիվ, որը ցույց է տալիս ընդհանուր ինքնաբուխ և առաջացած արտանետումը, գրգռված վիճակում պետք է ավելի շատ ատոմներ լինեն, քան ցածր մակարդակում:
Տարբերություններ
Խթանված արտանետումների հատկությունները, համեմատած սովորական լույսի աղբյուրների հետ (որոնք կախված են ինքնաբուխ արտանետումից) այն է, որ արտանետվող ֆոտոններն ունեն նույն հաճախականությունը, փուլը, բևեռացումը և տարածման ուղղությունը, ինչ պատահական ֆոտոնները: Այսպիսով, ներգրավված ֆոտոնները փոխկապակցված են: Հետևաբար, ինվերսիայի ժամանակ տեղի է ունենում պատահական ճառագայթման օպտիկական ուժեղացում։
Էներգիայի փոփոխություն
Չնայած գրգռված արտանետման արդյունքում առաջացած էներգիան միշտ գտնվում է այն գրգռող դաշտի ճշգրիտ հաճախականության մեջ, արագության հաշվարկի վերը նշված նկարագրությունը վերաբերում է միայն որոշակի օպտիկական հաճախականության գրգռմանը, գրգռվածության (կամ ինքնաբուխ) ուժգնությանը: արտանետումը կնվազի ըստ կոչված գծի ձևի: Հաշվի առնելով միայն միատեսակ ընդլայնումը, որն ազդում է ատոմային կամ մոլեկուլային ռեզոնանսի վրա, սպեկտրալ գծի ձևի ֆունկցիան նկարագրվում է որպես Լորենցի բաշխում:
Այսպիսով, խթանված արտանետումը կրճատվում է դրանովգործակիցը։ Գործնականում կարող է տեղի ունենալ նաև անհամասեռ ընդլայնման հետևանքով գծի ընդլայնում, հիմնականում Դոպլերի էֆեկտի շնորհիվ, որն առաջանում է գազի մեջ որոշակի ջերմաստիճանում արագությունների բաշխման արդյունքում: Սա ունի Գաուսի ձև և նվազեցնում է գծի ձևի ֆունկցիայի առավելագույն ուժը: Գործնական խնդրի դեպքում գծի ձևի ամբողջական ֆունկցիան կարող է հաշվարկվել՝ ընդգրկելով գծի ձևի առանձին ֆունկցիաները:
Խթանված արտանետումը կարող է ապահովել օպտիկական ուժեղացման ֆիզիկական մեխանիզմ: Եթե էներգիայի արտաքին աղբյուրը խթանում է հիմնական վիճակում գտնվող ատոմների ավելի քան 50%-ը, որպեսզի անցնեն գրգռված վիճակի, ապա ստեղծվում է այն, ինչ կոչվում է բնակչության ինվերսիա:
Երբ համապատասխան հաճախականության լույսն անցնում է շրջված միջավայրով, ֆոտոնները կա՛մ կլանվում են ատոմների կողմից, որոնք մնում են հիմնական վիճակում, կա՛մ գրգռված ատոմները խթանում են նույն հաճախականության, փուլի և ուղղության լրացուցիչ ֆոտոններ արձակելու համար: Քանի որ գրգռված վիճակում ավելի շատ ատոմներ կան, քան հիմնական վիճակում, արդյունքը ներածման ինտենսիվության աճն է։
Ճառագայթման կլանում
Ֆիզիկայի մեջ էլեկտրամագնիսական ճառագայթման կլանումը այն միջոցն է, որով ֆոտոնի էներգիան կլանում է նյութը, սովորաբար ատոմի էլեկտրոնները: Այսպիսով, էլեկտրամագնիսական էներգիան վերածվում է կլանիչի ներքին էներգիայի, ինչպիսին է ջերմությունը: Միջավայրում տարածվող լույսի ալիքի ինտենսիվության նվազումը՝ դրա որոշ ֆոտոնների կլանման պատճառով, հաճախ անվանում են թուլացում։
Սովորաբար ալիքի կլանումըկախված չէ դրանց ինտենսիվությունից (գծային կլանում), թեև որոշակի պայմաններում (սովորաբար օպտիկայի մեջ) միջավայրը փոխում է թափանցիկությունը՝ կախված փոխանցվող ալիքների ինտենսիվությունից և հագեցված կլանումից։
Կան մի քանի եղանակներ քանակականացնելու համար, թե որքան արագ և արդյունավետ է ճառագայթումը կլանվում տվյալ միջավայրում, ինչպիսիք են կլանման գործակիցը և որոշ սերտորեն կապված ածանցյալ մեծություններ:
Թուլացման գործակից
Մի քանի թուլացման գործոնի առանձնահատկություններ.
- Թուլացման գործոն, որը երբեմն, բայց ոչ միշտ, հոմանիշ է կլանման գործոնի հետ:
- Մոլային կլանման հզորությունը կոչվում է մոլային մարման գործակից: Դա կլանում է, որը բաժանվում է մոլարիականության վրա։
- Զանգվածի թուլացման գործակիցը կլանման գործակիցն է, որը բաժանվում է խտության վրա:
- Կլանման և ցրման խաչմերուկները սերտորեն կապված են գործակիցների հետ (համապատասխանաբար կլանումը և թուլացումը):
- Աստղագիտության մեջ անհետացումը համարժեք է մարման գործոնին:
Հավասարումների համար հաստատուն
Ճառագայթման կլանման այլ չափումներ են՝ ներթափանցման խորությունը և մաշկի էֆեկտը, տարածման հաստատունը, թուլացման հաստատունը, փուլային հաստատունը և բարդ ալիքի թիվը, բարդ բեկման ինդեքսը և մարման գործակիցը, բարդ թույլատրելիությունը, էլեկտրական դիմադրողականությունը և հաղորդունակությունը:
Կլանում
Կլանում (նաև կոչվում է օպտիկական խտություն) և օպտիկականխորությունը (նաև կոչվում է օպտիկական հաստություն) երկու փոխկապակցված չափումներ են:
Այս բոլոր մեծությունները գոնե որոշ չափով չափում են, թե միջավայրը որքան է կլանում ճառագայթումը: Այնուամենայնիվ, տարբեր ոլորտների և մեթոդների մասնագետները սովորաբար օգտագործում են վերը նշված ցուցակից վերցված տարբեր արժեքներ:
Օբյեկտի կլանումը քանակականացնում է, թե որքան լույս է կլանված նրա կողմից (արտացոլման կամ բեկման փոխարեն): Սա կարող է կապված լինել օբյեկտի այլ հատկությունների հետ՝ Beer-Lambert օրենքի միջոցով:
Բազմաթիվ ալիքների երկարություններում կլանման ճշգրիտ չափումները հնարավորություն են տալիս նույնականացնել նյութը կլանման սպեկտրոսկոպիայի միջոցով, որտեղ նմուշը լուսավորվում է մի կողմից: Կլանման մի քանի օրինակներ են ուլտրամանուշակագույն-տեսանելի սպեկտրոսկոպիան, ինֆրակարմիր սպեկտրոսկոպիան և ռենտգենյան կլանման սպեկտրոսկոպիան:
Դիմում
Էլեկտրամագնիսական և առաջացած ճառագայթման կլանումը հասկանալն ու չափելը շատ կիրառություններ ունի:
Երբ տարածվում է, օրինակ, ռադիոյով, այն ներկայացվում է տեսադաշտից դուրս:
Լազերների խթանված արտանետումը նույնպես լավ հայտնի է:
Օդերեւութաբանության և կլիմայաբանության մեջ գլոբալ և տեղական ջերմաստիճանները մասամբ կախված են մթնոլորտային գազերի ճառագայթման կլանումից (օրինակ՝ ջերմոցային էֆեկտից), ինչպես նաև ցամաքի և օվկիանոսի մակերեսների կողմից:
Բժշկության մեջ ռենտգենյան ճառագայթները տարբեր աստիճանի ներծծվում են տարբեր հյուսվածքների (մասնավորապես՝ ոսկորների) կողմից, ինչը հիմք է հանդիսանում ռադիոգրաֆիայի համար։
Օգտագործվում է նաև քիմիայի և նյութագիտության մեջ, որպես տարբերնյութերը և մոլեկուլները տարբեր աստիճանի ճառագայթում կլանեն տարբեր հաճախականություններով, ինչը թույլ կտա նույնականացնել նյութը:
Օպտիկայի մեջ արևային ակնոցները, գունավոր ֆիլտրերը, ներկերը և այլ նմանատիպ նյութեր հատուկ նախագծված են՝ հաշվի առնելու, թե ինչ տեսանելի ալիքի երկարություններ են դրանք կլանում և ինչ համամասնություններով: Ակնոցների կառուցվածքը կախված է այն պայմաններից, որոնց դեպքում առաջանում է խթանված արտանետում:
Կենսաբանության մեջ ֆոտոսինթետիկ օրգանիզմները պահանջում են համապատասխան ալիքի երկարության լույս՝ քլորոպլաստների ակտիվ շրջանում ներծծվելու համար: Սա անհրաժեշտ է, որպեսզի լույսի էներգիան կարողանա շաքարների և այլ մոլեկուլների մեջ վերածվել քիմիական էներգիայի:
Ֆիզիկայի մեջ հայտնի է, որ Երկրի իոնոսֆերայի D-տարածաշրջանը զգալիորեն կլանում է ռադիոազդանշանները, որոնք ընկնում են բարձր հաճախականության էլեկտրամագնիսական սպեկտրի մեջ և կապված են առաջացած ճառագայթման հետ:
Միջուկային ֆիզիկայում միջուկային ճառագայթման կլանումը կարող է օգտագործվել հեղուկի մակարդակը, խտության չափումը կամ հաստությունը չափելու համար:
Ինդուկացված ճառագայթման հիմնական կիրառություններն են քվանտային գեներատորները, լազերները, օպտիկական սարքերը:
