ما هو الانبعاث التلقائي والمستحث. التحولات المستحثة والعفوية
يتوافق أدنى مستوى طاقة لذرة مع مدار أصغر نصف قطر. في الحالة الطبيعية ، يكون الإلكترون في هذا المدار. عندما يتم توصيل جزء من الطاقة ، ينتقل الإلكترون إلى مستوى طاقة آخر ، أي "يقفز" إلى أحد المدارات الخارجية. في هذه الحالة المزعومة ، تكون الذرة غير مستقرة. بعد مرور بعض الوقت ، ينتقل الإلكترون إلى مستوى أدنى ، أي في مدار نصف قطره أصغر. يصاحب انتقال الإلكترون من مدار بعيد إلى مدار قريب انبعاث كمية ضوئية. الضوء عبارة عن تيار من الجسيمات الخاصة المنبعثة من الذرات - الفوتونات أو كوانتا الإشعاع الكهرومغناطيسي. يجب اعتبارها أجزاء من موجة ، وليس كجسيمات من المادة. يحمل كل فوتون جزءًا محددًا بدقة من الطاقة "المطلقة" من الذرة.
في الحالة الأرضية ، تكون الذرات عند مستوى الطاقة الأول مع أقل طاقة. لإحضار ذرة إلى المستوى 2 ، يجب أن تكون على علم بالطاقة hν = ∆E = E2-E1. أو يقولون ، من الضروري أن تتفاعل الذرة مع كمية واحدة من الطاقة. يمكن أن يحدث الانتقال العكسي لإلكترونين تلقائيًا ، في اتجاه واحد فقط. إلى جانب هذه التحولات ، من الممكن أيضًا إجراء انتقالات قسرية تحت تأثير الإشعاع الخارجي. يتم دائمًا فرض الانتقال 1à2. تعيش الذرة التي وجدت نفسها في الحالة 2 فيها لمدة 10 (ثوانٍ - 8) ثوانٍ ، وبعد ذلك تعود الذرة تلقائيًا إلى حالتها الأصلية. إلى جانب الانتقال التلقائي 2à1 ، يكون الانتقال القسري ممكنًا ، وينبعث كمية من الطاقة ، مما تسبب في هذا الانتقال. يسمى هذا الإشعاع الإضافي بالتحفيز أو المستحث. الذي - التي. تحت تأثير الإشعاع الخارجي ، يمكن إجراء تحولين: الانبعاث المحفّز والامتصاص المحفّز ، وكلتا العمليتين محتملتان بشكل متساوٍ. يؤدي الكم الإضافي المنبعث أثناء الانبعاث المستحث إلى تضخيم الضوء. للإشعاع المستحث الخصائص التالية: 1) يتزامن تسخين الكم المستحث مع جهد الكم المحرض ، 2) المرحلة ، الاستقطاب ، تواتر الإشعاع المحرض يتزامن مع المرحلة ، الاستقطاب وتردد الإشعاع المحرض ، أي الإشعاع المستحث والمحفز متماسك للغاية ، 3) لكل انتقال مستحث ، هناك ربح قدره 1 كم من الطاقة ، تضخيم الضوء. ي
التذكرة 8
الخصائص الذاتية للإدراك الصوتي ، ارتباطها بالخصائص الموضوعية للصوت.
الخصائص الذاتية للصوت
في العقل البشري ، تحت تأثير النبضات العصبية القادمة من عضو الإدراك الصوتي ، تتشكل الأحاسيس السمعية ، والتي يمكن للفرد أن يميزها بطريقة معينة.
هناك ثلاث خصائص ذاتية للصوت تعتمد على الأحاسيس التي يثيرها صوت معين في الموضوع: درجة الصوت ، وجرس الصوت ، وارتفاع الصوت.
مع مفهوم الارتفاع ، يقوم الموضوع بتقييم أصوات الترددات المختلفة: كلما زاد تردد الصوت ، كلما ارتفع الصوت المعطى. ومع ذلك ، لا توجد مراسلات فردية بين تردد الصوت ودرجة حدته. تؤثر شدة الصوت على إدراك درجة الصوت. من صوتين من نفس التردد ، يُنظر إلى الصوت الأكثر كثافة على أنه صوت أقل.
جرس الصوت هو خاصية نوعية للصوت (نوع من "لون" الصوت) المرتبطة بتكوينه الطيفي. تختلف أصوات الأشخاص المختلفين. يتم تحديد هذا الاختلاف من خلال التركيب الطيفي المختلف للأصوات التي ينتجها أشخاص مختلفون. هناك أسماء خاصة لأصوات مختلفة من النغمات: الجهير ، التينور ، السوبرانو ، إلخ. لنفس السبب ، يميز الناس نفس النغمات التي يتم عزفها على آلات موسيقية مختلفة: الآلات المختلفة لها تكوين طيفي مختلف للأصوات.
الجهارة هي خاصية ذاتية للصوت تحدد مستوى الإحساس السمعي: كلما ارتفع مستوى الإحساس السمعي الذي يحدث في الموضوع ، كلما ارتفع صوت الموضوع.
يعتمد حجم الإحساس السمعي (جهارة الصوت) على شدة الصوت وحساسية جهاز سمع الشخص المعني. كلما زادت شدة الصوت ، زاد حجم الإحساس السمعي (جهارة الصوت) مع ثبات العوامل الأخرى.
السمع البشري قادر على إدراك الأصوات ، والتي تختلف شدتها على نطاق واسع جدًا. لظهور الإحساس السمعي ، يجب أن تتجاوز شدة الصوت قيمة معينة / 0 يُطلق على الحد الأدنى لقيمة شدة الصوت / 0 التي تدركها المعينة السمعية للموضوع شدة العتبة ، أو عتبة السمع. بالنسبة للأشخاص المختلفين ، فإن قيمة عتبة السمع لها قيمة مختلفة وتتغير مع التغير في تردد الصوت. في المتوسط ، للأشخاص الذين يعانون من سمع طبيعي بترددات من 1-3 كيلوهرتز وعتبة السمع Io تساوي 10 "12 واط / م".
من ناحية أخرى ، عندما تتجاوز شدة الصوت حدًا معينًا في جهاز السمع ، بدلاً من الإحساس السمعي ، ينشأ إحساس بالألم.
يُطلق على القيمة القصوى لشدة الصوت I Maxi ، والتي لا يزال الشخص ينظر إليها على أنها إحساس صوتي ، حد الألم. قيمة عتبة الألم تساوي تقريبًا 10 وات / م. "تحدد عتبة السمع 1 0 وعتبة الألم 1 كحد أقصى نطاق شدة الأصوات التي تخلق إحساسًا سمعيًا في الموضوع.
رسم تخطيطي لأداة تشخيص إلكترونية. المستشعر الحراري والجهاز ومبدأ التشغيل. حساسية مستشعر درجة الحرارة.
مطياف. المخطط البصري ومبدأ تشغيل المطياف.
التذكرة 9
قانون ويبر فيشنر. جهارة الأصوات ، وحدات قياس الجهارة.
تعتمد حساسية المعينات السمعية البشرية بدورها على شدة الصوت وتردده. اعتماد الحساسية على الشدة الملكية المشتركةجميع أعضاء الحواس ويسمى التكيف. تتناقص حساسية أعضاء الحس تجاه منبه خارجي تلقائيًا مع زيادة شدة التحفيز. من الناحية الكمية ، يتم التعبير عن العلاقة بين حساسية العضو وشدة المنبه من خلال القانون التجريبي لـ Weber-Fechner: عند مقارنة محفزين ، فإن الزيادة في قوة الإحساس تتناسب مع لوغاريتم نسبة الشدة من المحفزات.
رياضيا ، يتم التعبير عن هذه العلاقة من خلال العلاقة
∆E \ u003d E 2 -E 1 ، \ u003d k * lgI 2 / I 1
حيث أنا 2 و 1 - شدة المنبهات ،
ه 2 و ه 1 - قوى الأحاسيس المقابلة ،
k هو معامل يعتمد على اختيار الوحدات لقياس شدة وقوة الأحاسيس.
وفقًا لقانون Weber-Fechner ، مع زيادة شدة الصوت ، يزداد أيضًا حجم الإحساس السمعي (جهارة الصوت) ؛ ومع ذلك ، من خلال تقليل الحساسية ، يزداد حجم الإحساس السمعي بدرجة أقل من شدة الصوت. يزداد حجم الإحساس السمعي مع زيادة شدة الصوت بما يتناسب مع لوغاريتم الشدة.
باستخدام قانون Weber-Fechner ومفهوم شدة العتبة ، يمكن للمرء تقديم تقدير كمي لجهارة الصوت. دعنا نضع الصيغة (4) شدة المنبه الأول (الصوت) التي تساوي العتبة (I 1 = I 0) ، ثم E 1 ستكون مساوية للصفر. بحذف المؤشر "2" ، نحصل على E = k * lgI / I 0
يتناسب حجم الإحساس السمعي (جهارة الصوت) E مع لوغاريتم نسبة شدة الصوت الذي أوجد هذا الحجم من الإحساس إلى شدة العتبة I 0. وبتحديد معامل التناسب يساوي الوحدة ، نحصل على المقدار من الإحساس السمعي E في وحدات تسمى "بيل".
وبالتالي ، يتم تحديد حجم الإحساس السمعي (جهارة الصوت) بواسطة الصيغة
E = logI / I 0 [B].
جنبا إلى جنب مع بيل ، يتم استخدام وحدة أصغر بعشر مرات تسمى "ديسيبل". يتم تحديد جهارة الصوت بالديسيبل بواسطة الصيغة
E = 10lgI / I 0 [ديسيبل].
رسم تخطيطي لأداة تشخيص إلكترونية. الغرض والخصائص الرئيسية لمكبر الصوت. أنواع التشوهات. كسب مكبر للصوت ، اعتماده على معلمات الدائرة.
النفاذية والكثافة الضوئية للحلول واعتمادها على التركيز.
لا يمكن فصل عمليات توليد وإعادة تركيب ناقلات الشحن عن بعضها البعض ، على الرغم من أنها متناقضة في المحتوى. يمكن إطلاق الطاقة أثناء إعادة التركيب إما في شكل فوتون (إعادة التركيب الإشعاعي) ،أو في شكل هاتف (إعادة التركيب غير الإشعاعي).
في السنوات الاخيرةتم تطوير عدد من أنواع الأجهزة التي تحول الإشارات الكهربائية إلى ضوء. يعتمد مبدأ عملها على ما يسمى بإشعاع إعادة التركيب - إشعاع كوانت الضوء أثناء أعمال إعادة التركيب المباشر لأزواج ثقب الإلكترون.
لإعادة التركيب المكثف ، من الضروري أن يكون لديك في نفس الوقت كثافة عالية من الإلكترونات في نطاق التوصيل وكثافة عالية من المستويات الحرة (الثقوب) في نطاق التكافؤ.
يتم إنشاء مثل هذه الظروف عند مستوى عالٍ من حقن الإلكترون في ثقب أشباه الموصلات مع تركيز عالٍ من المستقبلات.
من الواضح أن من أجل حدوث إعادة التركيب الإشعاعي المقابل للتحولات المباشرة ، من الضروري أن يكون لأشباه الموصلات بنية نطاق مناسبة: يجب أن يتوافق الحد الأقصى لنطاق التكافؤ ونطاق التوصيل مع نفس قيمة متجه الموجة .
في الوقت الحاضر ، تمت دراسة عدد من مركبات أشباه الموصلات من الأنواع A III B V ، A II B VI ، بالإضافة إلى أنظمة ثنائية أخرى (SiC) وثالثة (مثل GaAsP و InAsP و PbSnSe و PbSnTe وما إلى ذلك) ، والتي p-n- الوصلات التي تنبعث منها اهتزازات ضوئية عند تشغيلها في الاتجاه الأمامي. يمكن أن تكون مصادر ضوء أشباه الموصلات مفيدة جدًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات ، مثل أجهزة الإشارة.
عن طريق تعاطي أشباه الموصلات بشوائب معينة ، من الممكن تغيير طاقة إعادة التركيب ، وبالتالي ، الطول الموجي للضوء المنبعث بسبب نطاق الشوائب. وبالتالي ، فإن الوصلات p-n على GaP تعطي حد أقصى للانبعاث: 5650 و 7000 Å. توفر تقاطعات P-n على GaAsP التلألؤ في النطاق من 6000 إلى 7000 Å. يمكن الحصول على التألق في مدى الطول الموجي من 5600-6300 باستخدام وصلات كربيد السيليكون. تحدث العملية في وضع إعادة التركيب الإشعاعي بكثافة تيار عالية نسبيًا (عدة مئات من الأمبيرات لكل سنتيمتر مربع) مع عائد كمي يبلغ حوالي 0.5-1.5٪.
في كثافات أعلى الحالية تتجاوز 500 أ / سم 2وتصل إلى عدة آلاف أ / سم 2 ،تظهر ظاهرة جديدة نوعيا -
مع الفولتية الخارجية عند التقاطع التي تقترب من فرق جهد التلامس (الذي يتوافق مع كثافات التيار العالية جدًا) ، يحدث ما يلي: اتصل انقلاب السكان . تصبح كثافة المستويات التي تشغلها الإلكترونات في نطاق التوصيل أعلى من كثافة المستويات التي تشغلها الإلكترونات بالقرب من الجزء العلوي من نطاق التكافؤ.
يتم استدعاء قيمة كثافة التيار التي يحدث عندها انعكاس السكان عتبة الحالية.
في التيارات التي تقل عن العتبة ، تحدث أعمال إعادة التركيب العشوائية ؛ ما يسمى انبعاث عفوي.
في التيارات فوق العتبة ، يتسبب كم خفيف يمر عبر أشباه الموصلات الانبعاث المستحث -إعادة التركيب المتزامن لعدد من ناقلات الشحن. في هذه الحالة ، يحدث التضخيم أو التوليد متماسكاهتزازات الضوء ، أي الاهتزازات التي لها نفس المرحلة.
وبالتالي ، عند الكثافات الحالية التي تتجاوز قيمة العتبة ، يمكن أن تكون بعض أنواع تقاطعات أشباه الموصلات pn مصادر الليزرإشعاع. تتمثل ميزة ليزر أشباه الموصلات في أنها لا تتطلب ضخًا ضوئيًا. هنا ، يتم تنفيذ دور الضخ البصري بواسطة تيارات الحقن التي تخلق مجموعة عكسية. يمكن أن يكون لليزر أشباه الموصلات كفاءات تزيد عن 50٪ وهي مفيدة بشكل خاص على أنواع الليزر الأخرى عند استخدامها في التشغيل المستمر.
المادة الأكثر شيوعًا لتقاطعات pn بالليزر هي زرنيخيد الغاليوم. باستخدام تقاطعات p-n-on زرنيخيد الغاليوم في وضع مستمر ، من الممكن الحصول على وحدات واط من الإشعاع أحادي اللون تقريبًا بطول موجة 8400 عند درجة حرارة النيتروجين السائل. في درجة حرارة الغرفة ، يزيد الطول الموجي إلى 9000.
يمكن إنشاء التجمعات العكسية في أشباه الموصلات ليس فقط عن طريق الحقن ، ولكن أيضًا بطرق أخرى ، على سبيل المثال ، عن طريق إثارة الإلكترونات باستخدام حزمة إلكترونية.
دعونا نصنف العمليات الكمومية لانبعاث وامتصاص الفوتونات بواسطة الذرات. تنبعث الفوتونات فقط من ذرات مثارة. من خلال إصدار فوتون ، تفقد الذرة طاقتها ، ويرتبط حجم هذه الخسارة بتردد الفوتون من خلال العلاقة (3.12.7). إذا دخلت الذرة ، لسبب ما (على سبيل المثال ، بسبب الاصطدام مع ذرة أخرى) في حالة الإثارة ، تكون هذه الحالة غير مستقرة. لذلك ، تعود الذرة إلى حالة طاقة أقل عن طريق إصدار فوتون. يسمى هذا الإشعاع من تلقاء نفسهاأو من تلقاء نفسها.وبالتالي ، يحدث الانبعاث التلقائي بدون عمل خارجي وهو ناتج فقط عن عدم استقرار الحالة المثارة. تشع الذرات المختلفة تلقائيًا بشكل مستقل عن بعضها البعض وتولد فوتونات تنتشر في اتجاهات مختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إثارة الذرة دول مختلفة، لذلك تصدر فوتونات ذات ترددات مختلفة. لذلك ، هذه الفوتونات غير متماسكة.
إذا كانت الذرات في مجال ضوئي ، فيمكن أن يتسبب الأخير في حدوث انتقالات من مستوى أدنى إلى مستوى أعلى ، مصحوبًا بامتصاص فوتون ، والعكس بالعكس مع انبعاث فوتون. يُطلق على الإشعاع الناجم عن التأثير على ذرة الموجة الكهرومغناطيسية الخارجية بتردد طنين ، والذي يتم تحقيق المساواة (3.12.7) من أجله الناجم عنأو قسري.على عكس الانبعاث التلقائي ، يشارك فوتونان في كل فعل من أعمال الانبعاث المستحث. أحدهما ينتشر من مصدر خارجي ويعمل على الذرة ، والآخر ينبعث من الذرة نتيجة لهذا التأثير. السمة المميزة للانبعاثات المحفزة هي المطابقة الدقيقة لحالة الفوتون المنبعث مع الحالة الخارجية. كلا الفوتونين لهما نفس موجات الموجة والاستقطاب ، ولكلا الفوتونين نفس الترددات والمراحل. هذا يعني أن فوتونات الانبعاث المستحث دائمًا ما تكون متماسكة مع الفوتونات التي تسببت في هذا الانبعاث. يمكن للذرات في مجال الضوء أيضًا أن تمتص الفوتونات ، مما يؤدي إلى إثارة الذرات. إن امتصاص الذرات للفوتونات بالرنين هو دائمًا عملية مستحثة تحدث فقط في مجال الإشعاع الخارجي. في كل عملية امتصاص ، يختفي فوتون واحد ، وتنتقل الذرة إلى حالة ذات طاقة أعلى.
تعتمد العمليات التي ستسود في تفاعل الذرات مع الإشعاع أو انبعاث أو امتصاص الفوتونات على عدد الذرات ذات الطاقة الأكبر أو الأقل.
طبق أينشتاين طرقًا احتمالية لوصف عمليات الانبعاث التلقائي والمحفز. بناءً على اعتبارات الديناميكا الحرارية ، أثبت أن احتمالية التحولات المحفزة المصحوبة بالإشعاع يجب أن تكون مساوية لاحتمال التحولات المحفزة المصحوبة بامتصاص الضوء. وبالتالي ، يمكن أن تحدث التحولات القسرية باحتمالية متساوية في اتجاه واحد وفي الاتجاه الآخر.
دعونا الآن نفكر في العديد من الذرات المتطابقة في مجال الضوء ، والتي سنفترض أنها متناحرة وغير مستقطبة. (ثم تختفي مسألة اعتماد المعامِلات الواردة أدناه على استقطاب واتجاه الإشعاع.) وليكن عدد الذرات في الحالات ذات الطاقات ، ويمكن أن تؤخذ هذه الحالات من قبل أي عدد من الحالات المسموح بها ، لكن . ويسمى سكان مستويات الطاقة.سيكون عدد انتقالات الذرات من حالة إلى أخرى لكل وحدة زمنية أثناء الانبعاث التلقائي متناسبًا مع عدد الذرات في الحالة:
سيكون عدد انتقالات الذرات بين نفس الحالات أثناء الانبعاث المحفز متناسبًا أيضًا مع عدد السكان ف -المستوى الرابع ، ولكن أيضًا كثافة الطاقة الطيفية للإشعاع في المجال الذي تكون ذراته:
عدد الانتقالات من ر -نجاح باهر ف -المستوى العاشر بسبب التفاعل مع الإشعاع
الكميات تسمى معاملات أينشتاين.
سيتم تحقيق التوازن بين المادة والإشعاع بشرط أن يكون عدد الذرات التي تقوم بالانتقال من الحالة لكل وحدة زمنية صفي دولة رسيكون مساويًا لعدد الذرات التي تقوم بالانتقال في الاتجاه المعاكس:
كما ذكرنا سابقًا ، فإن احتمال التحولات القسرية في اتجاه واحد والآخر هو نفسه. لهذا .
ثم من (3.16.4) يمكن للمرء أن يجد كثافة طاقة الإشعاع
يتم تحديد توزيع التوازن للذرات على الحالات ذات الطاقات المختلفة بواسطة قانون بولتزمان
ثم من (3.16.5) نحصل عليها
وهو ما يتفق جيدًا مع صيغة بلانك (3.10.23). يؤدي هذا الاتفاق إلى استنتاج حول وجود انبعاثات محفزة.
الليزر.
في الخمسينيات من القرن العشرين ، تم إنشاء الأجهزة ، عند المرور والتي يتم تضخيم الموجات الكهرومغناطيسية بسبب الإشعاع المحفز. أولاً ، تم إنشاء مولدات تعمل في نطاق الموجة السنتيمترية ، وبعد ذلك بقليل تم إنشاء جهاز مشابه يعمل في النطاق البصري. تم تسميته على اسم الأحرف الأولى من الاسم الإنجليزي Light Amplification بواسطة Stimulated Emission of Radiation (تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفّز) - الليزر.تسمى الليزر أيضًا مولدات الكم البصرية.
من أجل زيادة شدة الإشعاع أثناء مرور المادة ، من الضروري أن تحدث التحولات بين كل زوج من الحالات الذرية مع انبعاث وامتصاص الفوتونات ، كان عدد سكان حالة الطاقة الأعلى أكبر من سكان حالة الطاقة المنخفضة.هذا يعني أن التوازن الحراري يجب أن يضطرب. يقال أن المادة التي تكون فيها حالة الطاقة الأعلى للذرات مأهولة بالسكان أكثر من حالة الطاقة المنخفضة انقلاب السكان.
بالمرور عبر المادة مع انعكاس سكاني لحالتين ذريتين ، يتم إثراء الإشعاع بالفوتونات ، والتي تسبب انتقالات بين هذه الحالات الذرية. نتيجة لذلك ، هناك تضخيم متماسك للإشعاع عند تردد معين ، عندما يسود الانبعاث المستحث للفوتونات على امتصاصها أثناء انتقالات الذرات بين الحالات مع انعكاس السكان. تسمى المادة ذات الانعكاس السكاني بالوسط النشط.
لإنشاء حالة مع انعكاس سكاني ، من الضروري إنفاق الطاقة وإنفاقها على التغلب على العمليات التي تعيد توزيع التوازن. يسمى هذا التأثير على مادة يضخ.تأتي طاقة المضخة دائمًا من مصدر خارجي إلى الوسط النشط.
هناك طرق ضخ مختلفة. لإنشاء انعكاس مستوى السكان في الليزر ، يتم استخدام طريقة المستويات الثلاثة في الغالب. دعونا نفكر في جوهر هذه الطريقة باستخدام ليزر الياقوت كمثال.
روبي هو أكسيد الألومنيوم حيث يتم استبدال بعض ذرات الألومنيوم بذرات الكروم. يحتوي طيف الطاقة لذرات (أيونات) الكروم على ثلاثة مستويات (الشكل 3.16.1) مع الطاقات ، و. المستوى العلوي هو في الواقع شريط عريض إلى حد ما يتكون من مجموعة من المستويات المتقاربة.
| ص |
الميزة الرئيسية لنظام المستويات الثلاثة هي أن المستوى 2 ، تحت المستوى 3 ، يجب أن يكون مستوى ثابت.هذا يعني أن الانتقال في مثل هذا النظام ممنوع بموجب قوانين ميكانيكا الكم. يرتبط هذا الحظر بانتهاك قواعد اختيار الأرقام الكمية لمثل هذا الانتقال. قواعد الاختيار ليست قواعد مطلقة لعدم القفز. ومع ذلك ، فإن انتهاكهم لبعض التحولات الكمومية يقلل بشكل كبير من احتمالية حدوثه. بمجرد أن تصل إلى مثل هذه الحالة غير المستقرة ، تظل الذرة باقية فيها. في الوقت نفسه ، فإن عمر الذرة في حالة النقيلة () أكبر بمئات الآلاف من المرات من عمر الذرة في الحالة المثارة العادية (). هذا يجعل من الممكن تجميع الذرات المثارة بالطاقة. لذلك ، يتم إنشاء مجتمع معكوس من المستويين 1 و 2.
وبالتالي فإن العملية تسير على النحو التالي. تحت تأثير الضوء الأخضر من مصباح وميض ، تنتقل أيونات الكروم من الحالة الأرضية إلى حالة الإثارة. يحدث الانتقال العكسي على مرحلتين. في المرحلة الأولى ، تتخلى الأيونات المثارة عن جزء من طاقتها للشبكة البلورية وتنتقل إلى حالة مستقرة. يتم إنشاء مجموعة سكانية عكسية لهذه الحالة. إذا ظهر الآن فوتون بطول موجة 694.3 نانومتر في ياقوتة تم إحضارها إلى مثل هذه الحالة (على سبيل المثال ، كنتيجة للانتقال التلقائي من المستوى إلى) ، فإن الانبعاث المستحث سوف يؤدي إلى الضرب من الفوتونات ، نسخ الأصل بالضبط (متماسك). هذه العملية لها طابع يشبه الانهيار الجليدي وتؤدي إلى ظهور عدد كبير جدًا من تلك الفوتونات فقط التي تنتشر بزوايا صغيرة على محور الليزر. هذه الفوتونات ، التي تنعكس مرارًا وتكرارًا من مرايا الرنان البصري لليزر ، تسافر في مسار طويل فيه ، وبالتالي ، تواجه أيونات الكروم المثارة عدة مرات ، مما يتسبب في تحولاتها المستحثة. ثم ينتشر تدفق الفوتون شعاع ضيق,
ليزر روبيتعمل في الوضع النبضي. في عام 1961 أول ليزر غازعلى مزيج من الهيليوم والنيون ، يعملان في وضع مستمر. ثم تم إنشاء ليزر أشباه الموصلات. حاليًا ، تتضمن قائمة مواد الليزر العديد من العشرات من المواد الصلبة والغازية.
خواص إشعاع الليزر.
إشعاع الليزر له خصائص لا يمتلكها الإشعاع من المصادر التقليدية (غير الليزر).
1. إشعاع الليزر لديه درجة عالية من أحادية اللون. فاصل الطول الموجي لهذا الإشعاع هو 0.01 نانومتر.
2. يتميز إشعاع الليزر بالتماسك الزماني والمكاني العالي. يصل وقت التماسك لهذا الإشعاع إلى ثوانٍ (يكون طول التماسك في حدود m) ، وهو تقريبًا أطول بمرات من وقت التماسك لمصدر تقليدي. يتم الحفاظ على التماسك المكاني عند مخرج الليزر عبر المقطع العرضي للحزمة بالكامل. بمساعدة الليزر ، من الممكن الحصول على ضوء يكون حجم تماسكه أكبر بعدة مرات من حجم تماسك موجات الضوء بنفس الشدة التي تم الحصول عليها من أكثر المصادر أحادية اللون غير الليزر. لذلك ، يتم استخدام إشعاع الليزر في التصوير المجسم ، حيث يلزم إشعاع بدرجة عالية من التماسك.
يمكن أن يحدث انتقال نظام متحمس (ذرة ، جزيء) من مستويات الطاقة العليا إلى المستويات السفلية إما تلقائيًا أو مستحثًا.
يُطلق على العفوية الانتقال التلقائي (المستقل) ، بسبب العوامل التي تعمل داخل النظام والمتأصلة فيه. تحدد هذه العوامل متوسط وقت إقامة النظام في الحالة المثارة ؛ وفقًا لعلاقة Heisenberg (انظر الفقرة 11) ،
نظريًا ، يمكن أن يكون لهذه المرة قيم مختلفة ضمن:
أي أنه يعتمد على خصائص النظام - انتشار قيم الطاقة في الحالة المثارة (عادة ما يتم أخذ خاصية النظام على أنها متوسط قيمة الوقت الذي يقضيه في الحالات المثارة اعتمادًا على متوسط القيمة . كما يجب أن يؤخذ في الاعتبار التأثير على نظام الفضاء المحيط ("الفراغ المادي") ، حيث توجد موجات كهرومغناطيسية حتى في حالة عدم وجود موجات كهرومغناطيسية. نظرية الكم، مجال متذبذب ("تقلبات الفراغ") ؛ يمكن لهذا المجال أن يحفز انتقال النظام المستيقظ إلى مستويات أقل ويجب إدراجه ضمن العوامل غير القابلة للإزالة التي تسبب التحولات التلقائية.
المستحث هو انتقال قسري (محفز) إلى حالة أقل حيوية ، ناتج عن بعض التأثيرات الخارجية على النظام المثار: الاصطدامات الحرارية ، والتفاعل مع الجسيمات المجاورة ، أو الموجة الكهرومغناطيسية التي تمر عبر النظام. ومع ذلك ، فقد تم تحديد تعريف أضيق في الأدبيات: يسمى الانتقال المستحث الانتقال الناجم فقط عن الموجة الكهرومغناطيسية ، علاوة على ذلك ، من نفس التردد الذي ينبعث من النظام أثناء هذا الانتقال (مجالات الترددات الأخرى لن يتردد صداها مع التذبذبات الطبيعية للنظام ،
وبالتالي فإن تأثيرها التحفيزي سيكون ضعيفًا). نظرًا لأن "الناقل" للمجال الكهرومغناطيسي هو فوتون ، فإنه يتبع من هذا التعريف أنه مع الإشعاع المستحث ، يحفز الفوتون الخارجي ولادة فوتون جديد من نفس التردد (الطاقة).
دعونا نفكر في أهم ميزات التحولات التلقائية والمستحثة باستخدام مثال واحد مثالي بسيط. لنفترض أنه في المجلد V ذي الجدران المرآة ، توجد أنظمة متطابقة (ذرات ، جزيئات) ، والتي ، في اللحظة الأولى الثابتة من الزمن ، يتم نقل جزء منها إلى حالة الإثارة مع الطاقة ، إجمالي الطاقة الزائدة في هذا الحجم سيكون مساويًا لـ. بالنسبة للتحولات التلقائية ، يكون ما يلي نموذجيًا:
1) عملية انتقال الأنظمة المثارة إلى الحالة الطبيعية (أي ، يتم تمديد إشعاع الطاقة الزائدة في الوقت المناسب. تظل بعض الأنظمة في حالة الإثارة لفترة قصيرة ؛ وبالنسبة للآخرين ، تكون هذه المرة أطول. وبالتالي ، فإن التدفق ( الطاقة) من الإشعاع ستتغير بمرور الوقت ، وستصل إلى الحد الأقصى في بعض اللحظات ثم تنخفض بشكل مقارب إلى الصفر.
2) اللحظة الزمنية التي يبدأ فيها إشعاع أحد الأنظمة ، ويكون موقع هذا النظام غير مرتبط تمامًا بلحظة الإشعاع وموقع الآخر ، أي أنه لا يوجد "اتساق" (ارتباط) بين الإشعاع أنظمة إما في المكان أو في الوقت المناسب. التحولات العفوية هي عمليات عشوائية تمامًا ، منتشرة في الوقت المناسب ، على حجم البيئة وفي جميع الاتجاهات الممكنة ؛ تمتلك مستويات الاستقطاب والإشعاع الكهرومغناطيسي من أنظمة مختلفة انتشارًا احتماليًا ، وبالتالي فإن البواعث نفسها ليست مصادر للموجات المتماسكة.
لتوصيف التحولات المستحثة ، دعنا نفترض أن فوتونًا واحدًا ذا طاقة تساوي تمامًا يتم إدخاله في الحجم المدروس V في لحظة من الزمن. سيؤخذ هذا الاحتمال في الاعتبار أدناه في حالة أكثر عمومية (عندما تتفاعل الأنظمة قيد الدراسة مع غاز الفوتون في الحجم V). سنفترض أن الفوتون لا يُمتص ، وأنه ينعكس بشكل متكرر من جدران الوعاء ، وفي التصادم مع الأنظمة المثارة يحفز انبعاث نفس الفوتونات ، أي يسبب التحولات المستحثة. ومع ذلك ، فإن كل فوتون جديد يظهر خلال هذه التحولات سيثير أيضًا التحولات المستحثة. نظرًا لأن سرعات الفوتون عالية وأبعاد الحجم V صغيرة ، فسوف يستغرق الأمر وقتًا قصيرًا جدًا لجميع الأنظمة المثارة الموجودة في اللحظة الأولى من الوقت لإجبارها على الانتقال إلى الحالة الطبيعية. لذلك ، تتميز التحولات المستحثة بما يلي:
1) يمكن التحكم في الوقت اللازم لانبعاث الطاقة الزائدة وجعلها صغيرة جدًا ، وبالتالي يمكن أن يكون تدفق الإشعاع كبيرًا جدًا ؛
2) بالإضافة إلى ذلك ، فإن الفوتون الذي تسبب في الانتقال والفوتون الذي له نفس الطاقة (التردد) الذي ظهر أثناء هذا الانتقال في نفس المرحلة ، ولهما نفس الاستقطاب واتجاه الحركة. لذلك ، فإن الموجات الكهرومغناطيسية الناتجة عن الإشعاع المستحث متماسكة.
ومع ذلك ، لا يؤدي كل تصادم للفوتون مع نظام متحمس إلى انتقاله إلى الحالة الطبيعية ، أي أن احتمال الانتقال المستحث في كل "فعل تفاعل" للفوتون مع النظام لا يساوي الوحدة. دعنا نشير إلى هذا الاحتمال من خلال دعونا نفترض أنه في لحظة معينة من الزمن توجد فوتونات في الحجم V وكل منها ، في المتوسط ، يمكن أن يحدث تصادمات لكل وحدة زمنية. ثم عدد الانتقالات المستحثة لكل وحدة زمنية ، وبالتالي فإن عدد الفوتونات التي تظهر في المجلد V سيكون مساويًا لـ
دعنا نشير إلى عدد الأنظمة المثارة في المجلد V حيث أن عدد تصادمات الفوتونات مع الأنظمة المثارة سيكون متناسبًا مع تركيز هذه الأنظمة ، أي بعد ذلك يمكن التعبير عنها اعتمادًا على:
حيث تأخذ shind في الاعتبار جميع العوامل الأخرى باستثناء عدد الفوتونات وعدد الأنظمة المثارة
ستحدث الزيادة في عدد الفوتونات في الحجم V أيضًا بسبب انبعاث عفوي. إن احتمال الانتقال التلقائي هو المقابل لمتوسط وقت المكوث في حالة الإثارة. لذلك ، فإن عدد الفوتونات التي تظهر في كل وحدة زمنية بسبب التحولات التلقائية سيكون مساويًا لـ
سيحدث الانخفاض في عدد الفوتونات في الحجم V نتيجة امتصاصها بواسطة أنظمة غير متحمسة (في هذه الحالة ، سيزداد عدد الأنظمة المثارة). نظرًا لأنه ليس كل "فعل تفاعل" للفوتون مع النظام مصحوبًا بالامتصاص ، يجب تقديم احتمالية تحقيق الامتصاص.
دعونا نجد الفرق بين شدة عمليات انبعاث وامتصاص الفوتونات ، أي عمليات انتقال الأنظمة من المستويات الأعلى إلى المستويات الأدنى والعكس صحيح:
اعتمادًا على القيمة في الحجم المدروس ، قد تحدث التغييرات التالية ؛
1) إذا كان في هذا الحجم سيكون هناك انخفاض تدريجي في كثافة غاز الفوتون ، أي امتصاص الطاقة المشعة. الشرط الضروري لذلك هو التركيز المنخفض للأنظمة المثارة:
2) إذا تم إنشاء حالة توازن في النظام عند تركيز معين معين للأنظمة المثارة وكثافة الطاقة المشعة ؛
3) إذا (وهو أمر ممكن بقيم كبيرة ، فستكون هناك زيادة في كثافة غاز الفوتون (الطاقة المشعة) في الحجم قيد النظر.
من الواضح أن انخفاض أو زيادة طاقة الإشعاع لن يحدث فقط في حجم معزول بجدران عاكسة ، ولكن أيضًا في حالة تدفق الطاقة المشعة أحادية اللون (تدفق الفوتونات بتردد في وسط يحتوي على الجسيمات المثارة مع الطاقة الزائدة
دعونا نجد التغيير النسبي في عدد الفوتونات لكل فوتون وفي كل نظام ؛ باستخدام (2.86) و (2.83) و (2.84) و (2.85) نحصل عليها
لاحظ أنه في حالة التوازن (وهو أمر ممكن فقط عند درجة حرارة موجبة وفقًا للصيغة (2.42) الواردة في الفقرة 12 ، فإن النسبة تساوي
تتكون وظيفة التقسيم في المقام في هذه الحالة من فترتين فقط ، تقابل: 1) الأنظمة في الحالات العادية مع الطاقة و 2) الأنظمة المثارة بالطاقة من هذه الصيغة ، يتبع ذلك عند درجة حرارة موجبة كبيرة بشكل لا نهائي ، وهذا يعني أنه من خلال الزيادة درجة الحرارة من المستحيل تحقيق حالة يكون فيها عدد الأنظمة المثارة أكبر من عدد الأنظمة غير المتحمسة. كان أكبر من Mneexc ، أي أنه من الضروري أن يكون عدد الفوتونات التي تظهر أثناء التحولات إلى مستويات أقل أكبر من عدد الفوتونات الممتصة في نفس الوقت). وقد أشير أعلاه إلى أن مثل هذه الحالة لا يمكن أن تتحقق برفع درجة الحرارة. لذلك ، للحصول على وسيط قادر على تضخيم التدفق الإشعاعي الذي يمر عبره ، من الضروري استخدام طرق أخرى (غير درجة الحرارة) لإثارة الذرات والجزيئات.
يمكن إثبات أنه يمكن أن يكون هناك المزيد (أي ، N) فقط عند درجة حرارة سالبة ، أي في حالة عدم توازن للوسط قيد النظر. إذا كانت حالة عدم التوازن هذه ، بالإضافة إلى ذلك ، غير مستقرة (انظر الجزء الثاني ، الفقرة 3) ، فمن الممكن ، بمساعدة تأثير خارجي مناسب ، التسبب في انتقال مفاجئ إلى حالة التوازن عن طريق إطلاق الطاقة الزائدة في وقت قصير جدا. هذه الفكرة تكمن وراء عمل الليزر.
تسمى حالة البيئة ، التي تحتوي فيها مستويات الطاقة العليا على عوامل تعبئة كبيرة مقارنة بالمستويات السفلية ، بالانعكاس. بما أن الوسيط في هذه الحالة لا يخفف كالعادة ، بل يعزز الإشعاع الذي يمر عبره ، في صيغة تغيير شدة التدفق الإشعاعي في الوسط
سيكون المعامل قيمة سالبة (ومن ثم يكون الأس قيمة موجبة). في ضوء ذلك ، يُطلق على الوسيط في حالة الانعكاس وسيطًا بمؤشر امتصاص سلبي. تم إنشاء وتطوير إمكانية الحصول على مثل هذه الوسائط وخصائصها واستخدامها لتضخيم الإشعاع البصري بواسطة V. A. Fabrikant وزملاؤه (1939-1951).
انبعاث عفوي.
ضع في اعتبارك في بعض مستويين متوسطين من الطاقة 1 و 2 مع الطاقات و (< ).Предположим, что атом или молекула вещества находится первоначально в состоянии соответствующая уровню 2 .Поскольку < атом будет стремится перейти на уровень 1.Следовательно, из атома должна соответствующая разность энергий - .Когда эта энергия высвобождается в виде электромагнитной волны, процесс называется спонтанным излучением. При этом частота излучаемой волны опред-ся формулой (полученной Планком):
الذي - التي. انبعاث تلقائي يتميز بانبعاث فوتون بالطاقة - عندما تمر ذرة من المستوى 2 إلى 1. (الشكل).
يمكن تحديد احتمال الانبعاث التلقائي على النحو التالي. لنفترض أنه في اللحظة الزمنية t عند المستوى 2 توجد ذرات في وحدة الحجم. معدل الانتقال (/ dt) spont. من الواضح أن هذه الذرات ، نتيجة الانبعاث التلقائي إلى أدنى مستوى ، متناسبة مع. لذلك ، يمكننا أن نكتب:
(/ دت) عفوية. = أ (2)
يمثل العامل A احتمال الانبعاث التلقائي ويسمى المعامل. أينشتاين أ. تسمى القيمة \ u003d 1 \ A العمر التلقائي. تعتمد القيمة العددية لـ A () على الانتقال المحدد الذي ينطوي عليه الإشعاع.
انبعاث قسري.
افترض أن الذرة ناه. الموجة الكهرومغناطيسية ذات التردد المحدد بالتعبير (1) - \ h (أي بتردد يساوي تردد الموجة المنبعثة تلقائيًا) تقع على المستويين 2 وعلى مادة. نظرًا لأن ترددات الموجة الساقطة والإشعاع المرتبط بها مع انتقال ذري متساوٍ مع بعضه البعض ، هناك احتمال محدود أن تتسبب الموجة الساقطة في انتقال من 2 → 1. في هذه الحالة ، سيتم إطلاق فرق الطاقة - في شكل موجة كهربائية ، والتي ستكون تضاف إلى الحادثة الأولى ، وهي ظاهرة الانتقال القسري.
هناك فرق كبير بين عمليات الانبعاث التلقائي والمحفز. في حالة الانبعاث التلقائي ، تُصدر الذرة موجة كهرومغناطيسية ، لا يرتبط طورها بشكل محدد بمرحلة الموجة المنبعثة من ذرة أخرى. علاوة على ذلك ، يمكن أن يكون للموجة المنبعثة أي اتجاه للانتشار. في حالة الانبعاث المحفّز ، بما أن العملية تبدأ بواسطة موجة الإدخال ، يضاف إشعاع أي ذرة إلى هذه الموجة في نفس المرحلة. تحدد الموجة الساقطة أيضًا اتجاه انتشار الموجة المنبعثة. يمكن وصف عملية الانبعاث المستحث باستخدام المعادلة:
(/dt)cont.= (3)
حيث (/dt)vyv.- سرعة الانتقال 2 → 1 بسبب الإشعاع المحفز ، ومثل coe-t A المحدد بالتعبير (2) ، فإنه يحتوي أيضًا على البعد (الوقت) ^ -1. على عكس A ، فإنه لا يعتمد فقط على انتقال معين ، ولكن أيضًا على شدة الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة. بتعبير أدق ، بالنسبة للموجة المستوية ، يمكن للمرء أن يكتب:
حيث F هي كثافة تدفق الفوتون في الموجة الواردة ، وهي قيمة لها أبعاد المنطقة (المقطع العرضي للانبعاث المحفز) وتعتمد على خصائص الانتقال المعطى.
4. الامتصاص ومعاملات الامتصاص.
لنفترض أن الذرة في البداية عند المستوى 1. إذا كان هذا هو المستوى الرئيسي ، فستظل الذرة عندها حتى تتأثر ببعض الاضطرابات الخارجية. دع موجة كهرومغناطيسية تضرب المادة بتردد يحدده التعبير : 2 - ه 1 )/ ح.
في هذه الحالة ، هناك احتمال محدود بأن الذرة ستذهب إلى المستوى الأعلى 2. فرق الطاقة ه 2 - ه 1 ، الضروري للذرة لإجراء الانتقال ، مأخوذ من طاقة الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة. هذه هي عملية الامتصاص. عن طريق القياس مع (dN 2 / د ) خروج = - دبليو 21 ن 2 احتمال الاستحواذ دبليو 12 يتم تحديده بواسطة المعادلة: dN 1 / د = - دبليو 12 ن 1 , أين ن 1 هو عدد الذرات لكل وحدة حجم الموجودة حاليًا في المستوى 1. بالإضافة إلى ذلك ، تمامًا كما في التعبير دبليو 21 = 21 F ، يمكنك كتابة: دبليو 12 = 12 F . هنا 12 بعض المساحة (المقطع العرضي للامتصاص) ، والتي تعتمد فقط على انتقال معين. لنفترض الآن أنه يمكن تخصيص مقطع عرضي فعال لامتصاص الفوتون لكل ذرة أ بمعنى أنه إذا دخل فوتون إلى هذا المقطع العرضي ، فسوف تمتصه الذرة. إذا تم الإشارة إلى مساحة المقطع العرضي لموجة كهرومغناطيسية في وسط بواسطة س ثم عدد ذرات الوسط المضاء بالموجة في طبقة من السماكة دز يساوي ن 1 Sdz وبعد ذلك سيكون المقطع العرضي للامتصاص الكلي مساوياً لـ أ ن 1 Sdz . لذلك ، فإن التغير النسبي في عدد الفوتونات ( مدافع / F ) في طبقة من سمك دز البيئة هي: مدافع / F = - أ ن 1 Sdz / س . انه واضح = أ ، لذلك يمكن إعطاء الكمية معنى المقطع العرضي للامتصاص الفعال. يمكن وصف تفاعل الإشعاع مع المادة بشكل مختلف عن طريق تحديد المعامل باستخدام التعبير: = ( ن 1 – ن 2 ). اذا كان ن 1 > ن 2 ، ثم تسمى القيمة معامل الامتصاص. يمكن العثور على معامل الامتصاص على النحو التالي: (2 2 /3 ن 0 ج 0 ح )( ن 1 – ن 2 ) 2 ز ر ( ) . نظرًا لأنه يعتمد على مجموعات المستويين ، فهذه ليست المعلمة الأكثر ملاءمة لوصف التفاعل في الحالات التي يتغير فيها مستوى السكان ، كما هو الحال في الليزر ، على سبيل المثال. ومع ذلك ، فإن ميزة هذه المعلمة هي أنه يمكن قياسها مباشرة. حقًا، مدافع = - fdz . لذلك ، فإن نسبة كثافة تدفق الفوتون الذي يمر في الوسط إلى العمق ل ، لكثافة تدفق الفوتون الحادث تساوي F ( ل )/ F (0)= إكسب (- ل ) . تعطي القياسات التجريبية لهذه النسبة باستخدام إشعاع أحادي اللون بدرجة كافية قيمة لهذا الطول الموجي المعين للضوء الساقط. يتم الحصول على المقطع العرضي المقابل من التعبير = ( ن 1 – ن 2 ) ، إذا كانت غير المستوطنات معروفة ن 1 و ن 2 . جهاز قياس معامل الامتصاص يسمى مقياس الامتصاص الطيفي.
بوقر - لامبرت - قانون البيرة- قانون فيزيائي يحدد التوهين لحزمة ضوئية أحادية اللون متوازية عندما تنتشر في وسط ماص.
يتم التعبير عن القانون بالصيغة التالية:
حيث I0 هي شدة الحزمة الواردة ، l هي سماكة طبقة المواد التي يمر الضوء من خلالها ، kλ هو معامل الامتصاص (لا يجب الخلط بينه وبين مؤشر الامتصاص عديم الأبعاد κ ، والذي يرتبط بـ kλ بالصيغة kλ = 4πκ / λ ، حيث هو الطول الموجي).
يميز مؤشر الامتصاص خصائص المادة ويعتمد على الطول الموجي λ للضوء الممتص. هذا الاعتماد يسمى طيف امتصاص المادة.
