Что такое спонтанное излучение
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.
Спонтанное излучение это процесс, в котором квантово-механический система (например, молекула, атом или субатомная частица) проходит из возбужденное энергетическое состояние в более низкое энергетическое состояние (например, его основное состояние) и излучает квантованное количество энергии в виде фотон. Спонтанное излучение в конечном итоге отвечает за большую часть света, который мы видим вокруг нас; он настолько распространен, что существует множество названий, по сути, одного и того же процесса. Если атомы (или молекулы) возбуждаются другими способами, кроме нагрева, спонтанное излучение называется свечение. Например, светлячки светятся. И есть разные формы люминесценции в зависимости от того, как образуются возбужденные атомы (электролюминесценция, хемилюминесценция так далее.). Если на возбуждение влияет поглощение излучения, спонтанное излучение называется флуоресценция. Иногда молекулы имеют метастабильный уровень и продолжают флуоресцировать еще долгое время после выключения возбуждающего излучения; это называется фосфоресценция. Фигурки, которые светятся в темноте, фосфоресцируют. Лазеры начать через спонтанное излучение, затем в непрерывном режиме работы стимулированное излучение.
Спонтанное излучение нельзя объяснить классическая теория электромагнетизма и по сути является квантовым процессом. Первым человеком, точно определившим скорость спонтанного излучения из первых принципов, был Дирак в своей квантовой теории излучения, [1] предшественник теории, которую он позже назвал квантовая электродинамика. [2] Когда современных физиков просят дать физическое объяснение спонтанного излучения, они обычно ссылаются на энергия нулевой точки электромагнитного поля. [3] [4] В 1963 г. Модель Джейнса – Каммингса [5] была разработана описывающая система двухуровневый атом взаимодействует с квантованной модой поля (то есть с вакуумом) внутри оптического резонатора. Это дало неинтуитивное предсказание, что скорость спонтанного излучения можно контролировать в зависимости от граничных условий окружающего вакуумного поля. Эти эксперименты привели к квантовая электродинамика резонатора (CQED), изучение влияния зеркал и резонаторов на радиационные поправки.
Содержание
Вступление
куда А 21 
— скорость спонтанного излучения. В уравнении скорости А 21 — константа пропорциональности для этого конкретного перехода в данном конкретном источнике света. Константа называется Коэффициент Эйнштейна, и имеет единицы s − 1 . [6] Приведенное выше уравнение можно решить, чтобы получить:
Теория
В квантовой электродинамике (или КЭД) электромагнитное поле имеет основное состояние, то QED вакуум, которые могут смешиваться с возбужденными стационарными состояниями атома. [2] В результате этого взаимодействия «стационарное состояние» атома перестает быть истинным. собственное состояние комбинированной системы атом плюс электромагнитное поле. В частности, переход электрона из возбужденного состояния в основное электронное состояние смешивается с переходом электромагнитного поля из основного состояния в возбужденное состояние, т.е. состояние поля с одним фотоном в нем. Спонтанное излучение в свободном пространстве зависит от колебания вакуума для начала. [7] [8]
Хотя существует только один электронный переход из возбужденного состояния в основное состояние, есть много способов, которыми электромагнитное поле может перейти из основного состояния в однофотонное состояние. То есть электромагнитное поле имеет бесконечно больше степеней свободы, соответствующих различным направлениям, в которых может излучаться фотон. Точно так же можно сказать, что фазовое пространство предлагаемое электромагнитным полем бесконечно больше, чем предлагаемое атомом. Эта бесконечная степень свободы излучения фотона приводит к кажущемуся необратимому распаду, то есть к спонтанному излучению.
При наличии электромагнитных вакуумных мод объединенная система атом-вакуум объясняется суперпозицией волновых функций атома в возбужденном состоянии без фотона и атома в основном состоянии с одним излучаемым фотоном:
В спектроскопии часто можно обнаружить, что атомы или молекулы в возбужденных состояниях рассеивают свою энергию в отсутствие какого-либо внешнего источника фотонов. Это не спонтанное излучение, а фактически безызлучательная релаксация атомов или молекул, вызванная флуктуацией окружающих молекул, находящихся внутри объема. [ требуется разъяснение ]
Скорость спонтанного излучения
Скорость спонтанного излучения (т.е. скорость излучения) может быть описана как Золотое правило Ферми. [9] Скорость излучения зависит от двух факторов: «атомной части», которая описывает внутреннюю структуру источника света, и «полевой части», которая описывает плотность электромагнитных мод окружающей среды. Атомная часть описывает силу перехода между двумя состояниями с точки зрения моментов перехода. В однородной среде, например свободное место, скорость спонтанного излучения в дипольном приближении определяется выражением:
В отличие от атомов, которые имеют дискретный спектр излучения, квантовые точки можно непрерывно настраивать, изменяя их размер. Это свойство использовалось для проверки ω 3 -частотная зависимость скорости спонтанного излучения, описываемая золотым правилом Ферми. [10]
Радиационный и безызлучательный распад: квантовая эффективность
Γ малыш = Γ рад + Γ нрад
Спонтанное излучение это процесс, в котором квантово-механический система (например, молекула, атом или субатомная частица) проходит из возбужденное энергетическое состояние в более низкое энергетическое состояние (например, его основное состояние) и излучает квантованное количество энергии в виде фотон. Спонтанное излучение в конечном итоге отвечает за большую часть света, который мы видим вокруг нас; он настолько распространен, что существует множество названий, по сути, одного и того же процесса. Если атомы (или молекулы) возбуждаются другими способами, кроме нагрева, спонтанное излучение называется свечение. Например, светлячки светятся. И есть разные формы люминесценции в зависимости от того, как образуются возбужденные атомы (электролюминесценция, хемилюминесценция так далее.). Если на возбуждение влияет поглощение излучения, спонтанное излучение называется флуоресценция. Иногда молекулы имеют метастабильный уровень и продолжают флуоресцировать еще долгое время после выключения возбуждающего излучения; это называется фосфоресценция. Фигурки, которые светятся в темноте, фосфоресцируют. Лазеры начать через спонтанное излучение, затем в непрерывном режиме работы стимулированное излучение.
Спонтанное излучение нельзя объяснить классическая теория электромагнетизма и по сути является квантовым процессом. Первым человеком, точно определившим скорость спонтанного излучения из первых принципов, был Дирак в своей квантовой теории излучения, [1] предшественник теории, которую он позже назвал квантовая электродинамика. [2] Когда современных физиков просят дать физическое объяснение спонтанного излучения, они обычно ссылаются на энергия нулевой точки электромагнитного поля. [3] [4] В 1963 г. Модель Джейнса – Каммингса [5] была разработана описывающая система двухуровневый атом взаимодействует с квантованной модой поля (то есть с вакуумом) внутри оптического резонатора. Это дало неинтуитивное предсказание, что скорость спонтанного излучения можно контролировать в зависимости от граничных условий окружающего вакуумного поля. Эти эксперименты привели к квантовая электродинамика резонатора (CQED), изучение влияния зеркал и резонаторов на радиационные поправки.
Содержание
Вступление
куда А 21 — скорость спонтанного излучения. В уравнении скорости А 21 — константа пропорциональности для этого конкретного перехода в данном конкретном источнике света. Константа называется Коэффициент Эйнштейна, и имеет единицы s − 1 . [6] Приведенное выше уравнение можно решить, чтобы получить:
Теория
В квантовой электродинамике (или КЭД) электромагнитное поле имеет основное состояние, то QED вакуум, которые могут смешиваться с возбужденными стационарными состояниями атома. [2] В результате этого взаимодействия «стационарное состояние» атома перестает быть истинным. собственное состояние комбинированной системы атом плюс электромагнитное поле. В частности, переход электрона из возбужденного состояния в основное электронное состояние смешивается с переходом электромагнитного поля из основного состояния в возбужденное состояние, т.е. состояние поля с одним фотоном в нем. Спонтанное излучение в свободном пространстве зависит от колебания вакуума для начала. [7] [8]
Хотя существует только один электронный переход из возбужденного состояния в основное состояние, есть много способов, которыми электромагнитное поле может перейти из основного состояния в однофотонное состояние. То есть электромагнитное поле имеет бесконечно больше степеней свободы, соответствующих различным направлениям, в которых может излучаться фотон. Точно так же можно сказать, что фазовое пространство предлагаемое электромагнитным полем бесконечно больше, чем предлагаемое атомом. Эта бесконечная степень свободы излучения фотона приводит к кажущемуся необратимому распаду, то есть к спонтанному излучению.
При наличии электромагнитных вакуумных мод объединенная система атом-вакуум объясняется суперпозицией волновых функций атома в возбужденном состоянии без фотона и атома в основном состоянии с одним излучаемым фотоном:
В спектроскопии часто можно обнаружить, что атомы или молекулы в возбужденных состояниях рассеивают свою энергию в отсутствие какого-либо внешнего источника фотонов. Это не спонтанное излучение, а фактически безызлучательная релаксация атомов или молекул, вызванная флуктуацией окружающих молекул, находящихся внутри объема. [ требуется разъяснение ]
Скорость спонтанного излучения
Скорость спонтанного излучения (т.е. скорость излучения) может быть описана как Золотое правило Ферми. [9] Скорость излучения зависит от двух факторов: «атомной части», которая описывает внутреннюю структуру источника света, и «полевой части», которая описывает плотность электромагнитных мод окружающей среды. Атомная часть описывает силу перехода между двумя состояниями с точки зрения моментов перехода. В однородной среде, например свободное место, скорость спонтанного излучения в дипольном приближении определяется выражением:
В отличие от атомов, которые имеют дискретный спектр излучения, квантовые точки можно непрерывно настраивать, изменяя их размер. Это свойство использовалось для проверки ω 3 -частотная зависимость скорости спонтанного излучения, описываемая золотым правилом Ферми. [10]
Радиационный и безызлучательный распад: квантовая эффективность
Γ малыш = Γ рад + Γ нрад
СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Полезное
Смотреть что такое «СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ» в других словарях:
Спонтанное излучение — спонтанное испускание, самопроизвольное испускание электромагнитного излучения атомами и др. квантовыми системами, находящимися на возбуждённых уровнях энергии (см. Квантовые переходы). В отличие от вынужденного излучения (См. Вынужденное … Большая советская энциклопедия
СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, самопроизвольное (в отличие от вынужденного излучения) испускание электромагнитных волн атомом и другими атомными системами, находящимися на возбужденных уровнях энергии (смотри Квантовые переходы) … Современная энциклопедия
СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — самопроизвольное испускание возбужденным атомом либо др. квантовой системой электромагнитного излучения. В отличие от вынужденного излучения, не зависит от внешних воздействий и определяется только свойствами самой системы … Большой Энциклопедический словарь
Спонтанное излучение — СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, самопроизвольное (в отличие от вынужденного излучения) испускание электромагнитных волн атомом и другими атомными системами, находящимися на возбужденных уровнях энергии (смотри Квантовые переходы). … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Спонтанное излучение — Статья содержит ошибки и/или опечатки. Необходимо проверить содержание статьи на соответствие грамматическим нормам русского языка … Википедия
спонтанное излучение — самопроизвольное испускание возбуждённым атомом либо другой квантовой системой электромагнитного излучения. В отличие от вынужденного излучения, не зависит от внешних воздействий и определяется только свойствами самой системы. * * * СПОНТАННОЕ… … Энциклопедический словарь
спонтанное излучение — savaiminis spinduliavimas statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektromagnetinis spinduliavimas, vykstantis sužadintai sistemai pereinant į mažesnės energijos būseną. atitikmenys: angl. spontaneous radiation rus. самопроизвольное излучение;… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
спонтанное излучение — savaiminis spinduliavimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. spontaneous radiation vok. spontane Strahlung, f rus. самопроизвольное излучение, n; спонтанное излучение, n pranc. émission spontanée, f … Fizikos terminų žodynas
спонтанное излучение — savaiminis spinduliavimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. spontaneous radiation vok. spontane Strahlung, f rus. спонтанное излучение, n pranc. émission spontanée, f … Radioelektronikos terminų žodynas
СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — (от лат. spontaneus произвольный, добровольный) самопроизвольное излучение электромагнитных волн атомами, молекулами и др. квантовыми системами, находящимися в возбуждённом состоянии. При С. и. волны излучаются разными частицами тела независимо… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Что такое спонтанное излучение
§ 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).