الانبعاث المستحث هو العملية التي يمكن من خلالها للفوتون الوارد بتردد معين أن يتفاعل مع إلكترون ذري متحمس (أو حالة جزيئية مثارة أخرى) ، مما يؤدي إلى انخفاضه إلى مستوى طاقة أقل. يتم نقل الطاقة المنبعثة إلى المجال الكهرومغناطيسي ، مما ينتج عنه فوتون جديد له طور وتردد واستقطاب واتجاه حركة مماثلة لفوتونات الموجة الساقطة. وهذا يحدث على عكس الإشعاع العفوي الذي يعمل على فترات عشوائية دون مراعاة المجال الكهرومغناطيسي المحيط.
شروط الحصول على الانبعاث المحفز
العملية متطابقة في شكلها مع الامتصاص الذري ، حيث تتسبب طاقة الفوتون الممتص في انتقال ذري متطابق ولكنه معاكس: من أقل إلىمستوى طاقة أعلى. في البيئات العادية في التوازن الحراري ، يتجاوز الامتصاص الانبعاث المحفّز لأن هناك عددًا أكبر من الإلكترونات في حالات الطاقة المنخفضة عنها في حالات الطاقة الأعلى.
ومع ذلك ، عندما يكون الانقلاب السكاني موجودًا ، فإن معدل الانبعاث المحفّز يتجاوز معدل الامتصاص ويمكن تحقيق التضخيم البصري النقي. تشكل هذه الوسيلة المكبرة ، جنبًا إلى جنب مع الرنان البصري ، أساس الليزر أو مازر. تفتقر إلى آلية التغذية الراجعة ، تعمل مضخمات الليزر ومصادر الإضاءة الفائقة أيضًا على أساس الانبعاث المحفّز.
ما هو الشرط الأساسي للحصول على الانبعاث المستحث
الإلكترونات وتفاعلاتها مع المجالات الكهرومغناطيسية مهمة في فهمنا للكيمياء والفيزياء. من وجهة النظر الكلاسيكية ، فإن طاقة الإلكترون الذي يدور حول نواة الذرة تكون أكبر بالنسبة للمدارات البعيدة عن النواة الذرية.
عندما يمتص الإلكترون الطاقة الضوئية (الفوتونات) أو الطاقة الحرارية (الفونونات) ، فإنه يستقبل كمية الطاقة هذه. لكن الانتقالات مسموح بها فقط بين مستويات الطاقة المنفصلة ، مثل المستويين الموضحين أدناه. ينتج عن هذا خطوط انبعاث وامتصاص.
جانب الطاقة
بعد ذلك ، سنتحدث عن الشرط الأساسي للحصول على الإشعاع المستحث. عندما يتحمس الإلكترون من مستوى طاقة منخفض إلى أعلى ، فمن غير المرجح أن يبقى على هذا النحو إلى الأبد. يمكن أن يتحلل الإلكترون في حالة الإثارة إلى مستوى أدنىحالة طاقة غير مشغولة ، وفقًا لثابت زمني معين يميز هذا الانتقال.
عندما يتحلل مثل هذا الإلكترون دون تأثير خارجي ، ويصدر فوتونًا ، يسمى هذا الانبعاث التلقائي. يكون الطور والاتجاه المرتبطان بالفوتون المنبعث عشوائيًا. وبالتالي ، فإن المادة التي تحتوي على العديد من الذرات في مثل هذه الحالة المثارة قد تؤدي إلى إشعاع له طيف ضيق (يتمحور حول طول موجي واحد للضوء) ، لكن الفوتونات الفردية لن يكون لها علاقات طور مشتركة وستصدر أيضًا في اتجاهات عشوائية. هذه هي آلية الفلورة وتوليد الحرارة.
يمكن أن يؤثر المجال الكهرومغناطيسي الخارجي عند التردد المرتبط بالانتقال على الحالة الميكانيكية الكمومية للذرة بدون امتصاص. عندما يقوم إلكترون في ذرة بإجراء انتقال بين حالتين ثابتتين (لا يُظهر أي منهما مجالًا ثنائي القطب) ، فإنه يدخل في حالة انتقال ذات مجال ثنائي القطب ويعمل مثل ثنائي القطب الكهربائي الصغير الذي يتأرجح بتردد مميز.
استجابةً لمجال كهربائي خارجي عند هذا التردد ، يزداد احتمال انتقال الإلكترون إلى مثل هذه الحالة بشكل كبير. وبالتالي ، فإن معدل التحولات بين حالتين ثابتتين يتجاوز حجم الانبعاث التلقائي. يؤدي الانتقال من حالة طاقة أعلى إلى حالة طاقة أقل إلى إنشاء فوتون إضافي له نفس الطور والاتجاه مثل الفوتون الساقط. هذه هي عملية الانبعاث القسري.
افتتاح
كان الانبعاث المحفز هو اكتشاف أينشتاين النظري في ظل نظرية الكم القديمة ، حيث يتم وصف الإشعاع من حيث الفوتونات ، وهي كوانتا المجال الكهرومغناطيسي. يمكن أن يحدث هذا الإشعاع أيضًا في النماذج الكلاسيكية دون الرجوع إلى الفوتونات أو ميكانيكا الكم.
يمكن نمذجة الانبعاث المحفّز رياضيًا بإعطاء ذرة يمكن أن تكون في إحدى حالتين للطاقة الإلكترونية ، حالة المستوى الأدنى (ربما حالة أرضية) وحالة الإثارة ، مع الطاقات E1 و E2 على التوالي.
إذا كانت الذرة في حالة الإثارة ، يمكن أن تتحلل إلى حالة أقل من خلال عملية الانبعاث التلقائي ، مما يؤدي إلى إطلاق فرق الطاقة بين الحالتين كفوتون.
بدلاً من ذلك ، إذا كانت ذرة الحالة المثارة مضطربة بسبب مجال كهربائي للتردد ν0 ، فيمكنها إصدار فوتون إضافي من نفس التردد وفي الطور ، وبالتالي زيادة المجال الخارجي ، وترك الذرة في حالة طاقة أقل. تُعرف هذه العملية بالانبعاثات المحفزة.
التناسب
ثابت التناسب B21 المستخدم في المعادلات لتحديد الانبعاث العفوي والمستحث يُعرف بمعامل أينشتاين B لهذا الانتقال المعين ، و ρ (ν) هي كثافة إشعاع المجال الساقط عند التردد ν. وبالتالي ، فإن معدل الانبعاث يتناسب مع عدد الذرات في الحالة المثارة N2 وكثافة الفوتونات الساقطة. هذا هو الجوهرظاهرة الانبعاث المستحث.
في نفس الوقت ، ستحدث عملية الامتصاص الذري ، والتي تزيل الطاقة من المجال ، وترفع الإلكترونات من الحالة السفلية إلى الحالة العليا. يتم تحديد سرعته من خلال معادلة متطابقة بشكل أساسي.
وهكذا ، يتم إطلاق صافي القدرة في مجال كهربائي مساوٍ لطاقة الفوتون h مضروبة في صافي معدل الانتقال هذا. لكي يكون هذا رقمًا موجبًا ، يشير إلى إجمالي الانبعاث التلقائي والمستحث ، يجب أن يكون هناك عدد أكبر من الذرات في الحالة المثارة أكثر من المستوى الأدنى.
الاختلافات
خصائص الانبعاث المحفّز مقارنة بمصادر الضوء التقليدية (التي تعتمد على الانبعاث التلقائي) هي أن الفوتونات المنبعثة لها نفس التردد والطور والاستقطاب واتجاه الانتشار مثل الفوتونات الساقطة. وبالتالي ، فإن الفوتونات المعنية متماسكة بشكل متبادل. لذلك ، أثناء الانعكاس ، يحدث التضخيم البصري للإشعاع الساقط.
تغيير الطاقة
على الرغم من أن الطاقة الناتجة عن الانبعاث المستحث تكون دائمًا على التردد الدقيق للحقل الذي حفزه ، فإن الوصف أعلاه لحساب السرعة ينطبق فقط على الإثارة عند تردد بصري معين ، أو قوة المحفز (أو العفوي) سوف ينخفض الانبعاث وفقًا لشكل الخط المسمى. بالنظر إلى التوسيع المنتظم الذي يؤثر على الرنين الذري أو الجزيئي ، توصف وظيفة شكل الخط الطيفي على أنها توزيع لورنتز.
وبالتالي ، يتم تقليل الانبعاث المحفز بواسطة هذامعامل في الرياضيات او درجة. من الناحية العملية ، يمكن أن يحدث أيضًا توسيع شكل الخطوط بسبب التوسيع غير المتجانس ، ويرجع ذلك أساسًا إلى تأثير دوبلر الناتج عن توزيع السرعات في الغاز عند درجة حرارة معينة. هذا له شكل غاوسي ويقلل من قوة الذروة لوظيفة شكل الخط. في مشكلة عملية ، يمكن حساب وظيفة شكل الخطوط الكاملة عن طريق ربط وظائف شكل الخطوط الفردية المعنية.
يمكن أن يوفر الانبعاث المستحث آلية فيزيائية للتضخيم البصري. إذا قام مصدر خارجي للطاقة بتحفيز أكثر من 50٪ من الذرات في الحالة الأرضية للانتقال إلى حالة الإثارة ، فعندئذ يتم إنشاء ما يسمى بانعكاس السكان.
عندما يمر ضوء التردد المناسب عبر وسط مقلوب ، يتم امتصاص الفوتونات بواسطة الذرات التي تبقى في الحالة الأرضية أو تحفز الذرات المثارة لإصدار فوتونات إضافية من نفس التردد والطور والاتجاه. نظرًا لوجود عدد أكبر من الذرات في الحالة المثارة مقارنة بالحالة الأرضية ، تكون النتيجة زيادة في كثافة الإدخال.
امتصاص الإشعاع
في الفيزياء ، امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي هو الطريقة التي تمتص بها المادة طاقة الفوتون ، وعادةً إلكترونات الذرة. وبالتالي ، يتم تحويل الطاقة الكهرومغناطيسية إلى الطاقة الداخلية للممتص ، مثل الحرارة. غالبًا ما يسمى الانخفاض في شدة موجة الضوء المنتشرة في وسط بسبب امتصاص بعض فوتوناتها بالتوهين.
امتصاص الموجة عادةلا تعتمد على شدتها (الامتصاص الخطي) ، على الرغم من أنه في ظل ظروف معينة (عادةً في البصريات) ، يغير الوسيط الشفافية اعتمادًا على شدة الموجات المرسلة والامتصاص القابل للإشباع.
هناك عدة طرق لتحديد مدى سرعة وكفاءة امتصاص الإشعاع في بيئة معينة ، مثل معامل الامتصاص وبعض الكميات المشتقة وثيقة الصلة.
عامل التوهين
العديد من ميزات عامل التوهين:
- عامل التوهين ، والذي يكون أحيانًا وليس دائمًا مرادفًا لعامل الامتصاص.
- قدرة الامتصاص المولارية تسمى معامل الانقراض المولي. إنها الامتصاصية مقسومة على المولارية.
- عامل التوهين الكتلي هو عامل الامتصاص مقسومًا على الكثافة
- المقاطع العرضية للامتصاص والتشتت ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالمعاملات (الامتصاص والتوهين ، على التوالي).
- الانقراض في علم الفلك يعادل عامل التخميد.
ثابت للمعادلات
المقاييس الأخرى لامتصاص الإشعاع هي عمق الاختراق وتأثير الجلد ، وثابت الانتشار ، وثابت التوهين ، وثابت الطور ورقم الموجة المعقدة ، ومعامل الانكسار المركب ومعامل الانقراض ، والسماحية المعقدة ، والمقاومة الكهربائية والتوصيل.
الامتصاص
الامتصاص (وتسمى أيضًا الكثافة الضوئية) والبصريةالعمق (ويسمى أيضًا السماكة الضوئية) مقياسان مترابطان.
كل هذه الكميات تقيس ، على الأقل إلى حد ما ، مقدار امتصاص الوسيط للإشعاع. ومع ذلك ، عادة ما يستخدم الممارسون من مختلف المجالات والأساليب قيمًا مختلفة مأخوذة من القائمة أعلاه.
امتصاص الجسم يحدد مقدار الضوء الساقط الذي يمتصه (بدلاً من الانعكاس أو الانكسار). قد يكون هذا مرتبطًا بخصائص أخرى للكائن من خلال قانون بير لامبرت.
القياسات الدقيقة للامتصاصية في العديد من الأطوال الموجية تجعل من الممكن تحديد مادة باستخدام التحليل الطيفي للامتصاص ، حيث تضيء العينة من جانب واحد. بعض الأمثلة على الامتصاص هي التحليل الطيفي المرئي للأشعة فوق البنفسجية ، والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء ، ومطياف امتصاص الأشعة السينية.
التطبيق
لفهم وقياس امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي والإشعاع المستحث العديد من التطبيقات.
عند توزيعها ، على سبيل المثال ، عن طريق الراديو ، يتم تقديمها بعيدًا عن الأنظار.
انبعاث الليزر المحفز معروف جيدا
في علم الأرصاد الجوية وعلم المناخ ، تعتمد درجات الحرارة العالمية والمحلية جزئيًا على امتصاص الإشعاع بواسطة غازات الغلاف الجوي (على سبيل المثال ، تأثير الاحتباس الحراري) ، وكذلك سطح الأرض والمحيط.
في الطب ، يتم امتصاص الأشعة السينية بدرجات متفاوتة بواسطة أنسجة مختلفة (على وجه الخصوص ، العظام) ، وهو أساس التصوير الشعاعي.
تستخدم أيضًا في الكيمياء وعلوم المواد ، على أنها مختلفةتمتص المواد والجزيئات الإشعاع بدرجات مختلفة عند ترددات مختلفة ، مما يسمح بتحديد المواد.
في البصريات والنظارات الشمسية وفلاتر الألوان والأصباغ وغيرها من المواد المماثلة مصممة خصيصًا لمراعاة الأطوال الموجية المرئية التي تمتصها وبأي نسب. تعتمد بنية الزجاج على الظروف التي تظهر فيها الانبعاث المحفّز
في علم الأحياء ، تتطلب كائنات التمثيل الضوئي ضوءًا من الطول الموجي المناسب ليتم امتصاصه في المنطقة النشطة من البلاستيدات الخضراء. هذا ضروري حتى يمكن تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية داخل السكريات والجزيئات الأخرى.
من المعروف في الفيزياء أن المنطقة D من الأيونوسفير للأرض تمتص بشكل كبير إشارات الراديو التي تقع في الطيف الكهرومغناطيسي عالي التردد وترتبط بالإشعاع المستحث.
في الفيزياء النووية ، يمكن استخدام امتصاص الإشعاع النووي لقياس مستويات السائل أو قياس الكثافة أو قياسات السماكة.
التطبيقات الرئيسية للإشعاع المستحث هي مولدات الكم ، والليزر ، والأجهزة البصرية.
