פליטה מעוררת הוא התהליך שבו פוטון נכנס בתדר מסוים יכול לקיים אינטראקציה עם אלקטרון אטומי נרגש (או מצב מולקולרי מעורר אחר), מה שגורם לו לרדת לרמת אנרגיה נמוכה יותר. האנרגיה המשתחררת מועברת לשדה האלקטרומגנטי, ויוצרת פוטון חדש בעל שלב, תדר, קיטוב וכיוון תנועה זהים לפוטונים של הגל הנוצר. וזה קורה בניגוד לקרינה ספונטנית, שפועלת במרווחים אקראיים, מבלי לקחת בחשבון את השדה האלקטרומגנטי שמסביב.
תנאים להשגת פליטה מגורה
התהליך זהה בצורתו לבליעה האטומית, שבה האנרגיה של הפוטון הנקלט גורמת למעבר אטומי זהה אך הפוך: מנמוך לרמת אנרגיה גבוהה יותר. בסביבות רגילות בשיווי משקל תרמי, הספיגה עולה על הפליטה המגורה מכיוון שיש יותר אלקטרונים במצבי אנרגיה נמוכים יותר מאשר במצבי אנרגיה גבוהים יותר.
עם זאת, כאשר קיימת היפוך אוכלוסייה, קצב הפליטה המגורה עולה על קצב הקליטה וניתן להשיג הגברה אופטית טהורה. מדיום הגברה כזה, יחד עם מהוד אופטי, מהווים את הבסיס של לייזר או מאסר. בהיעדר מנגנון משוב, מגברי לייזר ומקורות על-זוהר פועלים גם הם על בסיס פליטה מעוררת.
מהו התנאי העיקרי להשגת פליטה מגורה?
אלקטרונים והאינטראקציות שלהם עם שדות אלקטרומגנטיים חשובים בהבנתנו של כימיה ופיזיקה. בתפיסה הקלאסית, האנרגיה של אלקטרון הסובב סביב גרעין אטום גדולה יותר עבור מסלולים רחוקים מגרעין האטום.
כאשר אלקטרון סופג אנרגיית אור (פוטונים) או אנרגיית חום (פונונים), הוא מקבל את כמות האנרגיה הנכנסת הזו. אבל מעברים מותרים רק בין רמות אנרגיה בדידות, כמו השתיים המוצגות להלן. כתוצאה מכך נוצרים קווי פליטה וספיגה.
היבט אנרגטי
לאחר מכן, נדבר על התנאי העיקרי להשגת קרינה מושרה. כאשר אלקטרון מתרגש מרמת אנרגיה נמוכה יותר לגבוהה יותר, לא סביר שהוא יישאר כך לנצח. אלקטרון במצב נרגש יכול להתפרק לרמה נמוכה יותרמצב אנרגיה שאינו תפוס, בהתאם לקבוע זמן מסוים המאפיין את המעבר הזה.
כאשר אלקטרון כזה מתפרק ללא השפעה חיצונית, פולט פוטון, זה נקרא פליטה ספונטנית. השלב והכיוון הקשורים לפוטון הנפלט הם אקראיים. לפיכך, חומר עם אטומים רבים במצב נרגש כזה עלול לגרום לקרינה בעלת ספקטרום צר (המרוכז סביב אורך גל בודד של אור), אך לפוטונים הבודדים לא יהיו יחסי פאזה משותפים והם גם ייפלטו בכיוונים אקראיים. זהו המנגנון של הקרינה ויצירת חום.
שדה אלקטרומגנטי חיצוני בתדר הקשור למעבר יכול להשפיע על המצב המכני הקוונטי של האטום ללא ספיגה. כאשר אלקטרון באטום מבצע מעבר בין שני מצבים נייחים (שאף אחד מהם לא מציג שדה דיפול), הוא נכנס למצב מעבר שיש לו שדה דיפול ומתנהג כמו דיפול חשמלי קטן המתנודד בתדר אופייני.
בתגובה לשדה חשמלי חיצוני בתדר זה, ההסתברות למעבר אלקטרונים למצב כזה עולה באופן משמעותי. לפיכך, קצב המעברים בין שני מצבים נייחים עולה על גודל הפליטה הספונטנית. המעבר ממצב אנרגיה גבוה לנמוך יותר יוצר פוטון נוסף עם אותו שלב וכיוון כמו הפוטון הנוצר. זהו תהליך הפליטה הכפויה.
פתיחה
פליטה מגורה הייתה התגלית התיאורטית של איינשטיין במסגרת תורת הקוונטים הישנה, שבה קרינה מתוארת במונחים של פוטונים, שהם קוונטים של השדה האלקטרומגנטי. קרינה כזו יכולה להתרחש גם במודלים קלאסיים ללא התייחסות לפוטונים או למכניקת הקוונטים.
פליטה מעוררת ניתן למודל מתמטית בהינתן אטום שיכול להיות באחד משני מצבי אנרגיה אלקטרונית, מצב ברמה נמוכה יותר (אולי מצב קרקע) ומצב נרגש, עם אנרגיות E1 ו-E2 בהתאמה.
אם אטום נמצא במצב נרגש, הוא יכול להתפרק למצב נמוך יותר באמצעות תהליך של פליטה ספונטנית, ולשחרר את הפרש האנרגיה בין שני המצבים כפוטון.
לחילופין, אם אטום במצב נרגש מופרע משדה חשמלי בתדר ν0, הוא יכול לפלוט פוטון נוסף באותו תדר ובפאזה, ובכך להגדיל את השדה החיצוני, ולהשאיר את האטום במצב אנרגיה נמוך יותר. תהליך זה ידוע בשם פליטה מעוררת.
פרופורציונליות
קבוע המידתיות B21 המשמש במשוואות לקביעת פליטה ספונטנית ומושרה ידוע כמקדם איינשטיין B עבור המעבר המסוים הזה, ו- ρ(ν) הוא צפיפות הקרינה של שדה האירוע בתדר ν. לפיכך, קצב הפליטה הוא פרופורציונלי למספר האטומים במצב הנרגש N2 ולצפיפות הפוטונים הנכנסים. כזו היא המהותתופעות של פליטה מגורה.
במקביל יתרחש תהליך הקליטה האטומית המוציאה אנרגיה מהשדה ומעלה אלקטרונים מהמצב התחתון למצב העליון. מהירותו נקבעת על ידי משוואה זהה במהותה.
לפיכך, הספק נטו משתחרר לשדה חשמלי השווה לאנרגיה של פוטון h כפול קצב המעבר נטו זה. כדי שזה יהיה מספר חיובי, המציין את סך הפליטה הספונטנית והמושרה, חייבים להיות יותר אטומים במצב הנרגש מאשר ברמה התחתונה.
הבדלים
המאפיינים של פליטה מעוררת בהשוואה למקורות אור קונבנציונליים (התלויים בפליטת ספונטנית) הם שלפוטונים הנפלטים יש אותו תדירות, פאזה, קיטוב וכיוון התפשטות כמו הפוטונים הנפלטים. לפיכך, הפוטונים המעורבים הם קוהרנטיים הדדית. לכן, במהלך היפוך, מתרחשת הגברה אופטית של הקרינה המתרחשת.
Energy Change
למרות שהאנרגיה שנוצרת מפליטת מגורה היא תמיד בתדר המדויק של השדה שעורר אותה, התיאור שלעיל של חישוב המהירות מתייחס רק לעירור בתדר אופטי ספציפי, בעוצמתו של מגורה (או ספונטני) הפליטה תפחת לפי הנקרא צורת הקו. בהתחשב רק בהרחבה אחידה המשפיעה על תהודה אטומית או מולקולרית, פונקציית צורת הקו הספקטרלית מתוארת כהתפלגות לורנץ.
לפיכך, הפליטה המגורה מופחתת על ידי זהמְקַדֵם. בפועל, יכולה להתרחש גם הרחבת צורת קו עקב הרחבה לא הומוגנית, בעיקר בשל אפקט הדופלר הנובע מהתפלגות המהירויות בגז בטמפרטורה מסוימת. יש לזה צורה גאוסית ומפחית את שיא החוזק של פונקציית צורת הקו. בבעיה מעשית, ניתן לחשב את פונקציית צורת הקו המלאה על ידי סיבוך של פונקציות צורת הקו הבודדות המעורבות.
פליטה מגורה יכולה לספק מנגנון פיזי להגברה אופטית. אם מקור אנרגיה חיצוני מגרה יותר מ-50% מהאטומים במצב הקרקע למעבר למצב נרגש, אז נוצר מה שנקרא היפוך אוכלוסיה.
כאשר אור בתדר המתאים עובר בתווך הפוך, פוטונים נספגים על ידי אטומים שנשארים במצב הקרקע או מעוררים את האטומים הנרגשים לפלוט פוטונים נוספים מאותו תדר, פאזה וכיוון. מכיוון שיש יותר אטומים במצב הנרגש מאשר במצב הקרקע, התוצאה היא עלייה בעוצמת הקלט.
ספיגת קרינה
בפיסיקה, בליעת קרינה אלקטרומגנטית היא הדרך שבה האנרגיה של פוטון נספגת בחומר, בדרך כלל האלקטרונים של אטום. כך, האנרגיה האלקטרומגנטית מומרת לאנרגיה הפנימית של הבולם, כגון חום. הירידה בעוצמתו של גל אור המתפשט בתווך עקב קליטת חלק מהפוטונים שלו נקראת לעתים קרובות הנחתה.
קליטת גלים בדרך כללאינו תלוי בעוצמתם (בליעה לינארית), אם כי בתנאים מסוימים (בדרך כלל באופטיקה) המדיום משנה שקיפות בהתאם לעוצמת הגלים המועברים והבליעה הניתנת לרוויה.
ישנן מספר דרכים לכמת באיזו מהירות ויעילה קרינה נספגת בסביבה נתונה, כגון מקדם הספיגה וכמה כמויות נגזרות קשורות.
גורם הנחתה
מספר תכונות של גורם הנחתה:
- גורם הנחתה, שהוא לפעמים, אבל לא תמיד, שם נרדף למקדם ספיגה.
- יכולת הספיגה המולרית נקראת מקדם ההכחדה המולארי. זוהי הספיגה חלקי המולריות.
- גורם הנחתה המסה הוא גורם הספיגה חלקי הצפיפות.
- חתכי הקליטה והפיזור קשורים קשר הדוק למקדמים (בליטה והנחתה, בהתאמה).
- הכחדה באסטרונומיה שווה ערך לגורם השיכוך.
קבוע למשוואות
מדדים אחרים של בליעת קרינה הם עומק החדירה והשפעת העור, קבוע התפשטות, קבוע הנחתה, קבוע פאזה ומספר גלים מורכבים, מקדם שבירה מורכב ומקדם הכחדה, פרנסיטיביות מורכבת, התנגדות חשמלית ומוליכות.
ספיגה
ספיגה (נקראת גם צפיפות אופטית) ואופטיתעומק (נקרא גם עובי אופטי) הם שני מדדים הקשורים זה בזה.
כל הכמויות האלה מודדות, לפחות במידה מסוימת, כמה מדיום סופג קרינה. עם זאת, העוסקים בתחומים ובשיטות שונות בדרך כלל משתמשים בערכים שונים שנלקחו מהרשימה למעלה.
בליעה של עצם מכמתת כמה אור חודר נספג בו (במקום השתקפות או שבירה). זה עשוי להיות קשור למאפיינים אחרים של האובייקט באמצעות חוק Beer–Lambert.
מדידות מדויקות של ספיגה באורכי גל רבים מאפשרות לזהות חומר באמצעות ספקטרוסקופיה של ספיגה, שבה הדגימה מוארת מצד אחד. כמה דוגמאות לספיגה הן ספקטרוסקופיה הנראית לעין אולטרה סגול, ספקטרוסקופיה אינפרא אדום וספקטרוסקופיה קליטה של קרני רנטגן.
Application
להבנה ומדידה של בליעת קרינה אלקטרומגנטית ומושרה יש יישומים רבים.
כאשר הוא מופץ, למשל, ברדיו, הוא מוצג מחוץ לטווח הראייה.
הפליטה המגורה של לייזרים ידועה גם כן.
במטאורולוגיה ובקלימטולוגיה, הטמפרטורות הגלובליות והמקומיות תלויות בחלקן בקליטת קרינה על ידי גזים אטמוספריים (לדוגמה, אפקט החממה), כמו גם משטחי יבשה ואוקיינוס.
ברפואה, קרני רנטגן נספגות בדרגות שונות ברקמות שונות (בפרט, עצם), שהיא הבסיס לרדיוגרפיה.
משמש גם בכימיה ובמדעי החומרים, כמו שוניםחומרים ומולקולות יספגו קרינה בדרגות שונות בתדרים שונים, מה שיאפשר לזהות את החומר.
באופטיקה, משקפי שמש, מסנני צבע, צבעים וחומרים דומים אחרים תוכננו במיוחד כדי לקחת בחשבון אילו אורכי גל גלויים הם סופגים ובאילו פרופורציות. מבנה המשקפיים תלוי בתנאים שבהם מופיעה פליטה מגורה.
בביולוגיה, אורגניזמים פוטוסינתטיים דורשים אור באורך הגל המתאים כדי להיספג באזור הפעיל של הכלורופלסטים. זה הכרחי כדי שניתן יהיה להמיר אנרגיית אור לאנרגיה כימית בתוך סוכרים ומולקולות אחרות.
ידוע בפיזיקה שאזור ה-D של היונוספירה של כדור הארץ סופג באופן משמעותי אותות רדיו הנופלים לתוך הספקטרום האלקטרומגנטי בתדר גבוה וקשורים לקרינה מושרה.
בפיזיקה גרעינית, קליטת קרינה גרעינית יכולה לשמש למדידת רמות נוזל, צפיפות או מדידות עובי.
היישומים העיקריים של קרינה מושרה הם מחוללים קוונטיים, לייזרים, מכשירים אופטיים.
