tranziții spontane și induse, fizica cuantică
Notă: r „și k“ - sunt r vectorii și k respectiv.
Una dintre cele mai importante descoperiri ale mecanicii cuantice afirmă că fiecare sistem fizic (de exemplu, un electron din atom) poate fi numai în unul dintre starea de energie predeterminată - așa-numitul sistem eigenstates. Cu fiecare stat (să zicem, o stare de electroni) se poate asocia propria funcție
cu | Un (R „) | 2 DXDYDZ - o probabilitate de a găsi o stare de electroni n volum elementar din cadrul DXDYDZ cu punctul central definit printr-un vector r raza“. En - stat n-lea energie, h = h / 2tt; - constanta lui Planck.
Fiecare electron într-un sistem fizic corespunde stării sale (de exemplu, într-un atom sau moleculă), adică energia, iar această energie are o valoare discretă.
Fig. 7.1 prezintă schema nivelul de energie al unui sistem fizic (de exemplu atom) [1]. Referindu-se la cele două niveluri ale acestui sistem - 1 și 2. Nivelul 1 corespunde stării de sol a unui sistem fizic, în cazul în care prezența sa este cel mai probabil. La nivelul 2, sistemul (electron dintr-un atom) poate cădea în cazul în care transferă o anumită energie egală cu hv = | E2 - E1 |.
Acest nivel 2 este o stare excitată a atomului. Dacă sistemul (atom) este în starea 2 în timpul t0. atunci există o probabilitate finită că va merge la starea 1, care emite astfel un cuantum de energie electromagnetică hv = E2 - E1. Acest proces are loc fără expunerea la un câmp extern la momente aleatorii (la întâmplare), se numește spontan.
Numărul mediu de atomi trece printr-o tranziție spontană de la starea 2 la starea 1 pe secundă
unde A21 - rata (probabilitate) a unei tranziții spontane (TCN) 21 = A21 - 1 se numește durata de viață a atomului într-o stare excitată, asociată tranziției 2 → 1. tranziții spontane apar la orice stare dată numai în statele situată la energii de dedesubt (de exemplu, dacă atomul este în starea 3, pot exista tranziții directe 3 → 2 3 → 1 și incidente pe stratul 2 venitul atom spontan la nivelul 1).
În prezența unui câmp electromagnetic cu o frecvență v
(E2 - E1) / atom h se poate face trecerea de la starea 1 la starea 2, în timp ce absoarbe câmpul electromagnetic cuantic (foton) cu hv energie. Cu toate acestea, în cazul în care atomul într-un moment când este expus la câmpul electromagnetic, este deja în starea 2, se poate merge la starea 1, prin emisia unui foton cu energia hv sub influența acestui domeniu. Această tranziție corespunde emisie stimulata.
Procesul de tranziție indusă de spontan distinge că tranzițiilor rată de tranziție indusă de 2 → 1 → 2 și 1 sunt egale, în timp ce pentru o rată de tranziție spontană a procesului 1 → 2, în care energia unui atom crește cu zero.
În plus, procesele induse au alte caracteristici fundamentale:- procese ale vitezei induse de intensitate proporțională a câmpului electromagnetic, în timp ce spontană nu depind de teren;
- vectorul k val“. determinarea direcției de propagare a emisiei stimulate, în aceeași direcție ca și câmpul vectorial corespunzător forțând (emisia spontană are o direcție arbitrară de propagare);
- frecvență, fază și de polarizare a emisiei stimulate, de asemenea, coincide cu indemnul de frecvență, fază și câmp de polarizare, în timp ce emisia spontană, chiar și cu aceeași frecvență are o fază aleatoare și polarizarea aleatoare.
Astfel, se poate argumenta că forțarea și induse (forțată) radiații sunt strict coerente.
Să considerăm cazul în care un val plat monocromatic de frecvență v și intensitatea Iv se propagă printr-un mediu cu o densitate atomi de N2 la nivelul 2 și nivelul 1 N1.
Dacă introduceți o viteză de conversie, care sunt induse de câmpul monocromatica de frecvență v, vom nota prin Wi (v), se poate estima condițiile în care vor fi induse de radiații.
1, cu un volum de 1 m 3 apare N2 Wi indus tranzițiilor de la nivelul 2 la nivelul 1 și N1 Wi tranziții de la 1 la 2 nivele. Astfel, puterea totală generată per unitate de volum
Această radiație coerentă însumate cu radiația undă cu faza de conservare, în absența imprastiere conduce la o creștere a intensității pe unitatea de lungime. Ca rezultat,