"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Возбуждённый атом может перейти на более низкий энергетический уровень и испустить фотон. Такой переход бывает спонтанным, когда излучение возникает само, и вынужденным, когда его вызывает другой фотон. При вынужденном излучении оба фотона совпадают по частоте, направлению, поляризации и фазе, поэтому свет усиливается. Этот принцип лежит в основе работы лазера, но для усиления нужна инверсная населённость.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Спонтанное излучение — переход атома из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией с испусканием фотона без внешнего воздействия. Атом самопроизвольно покидает неустойчивый уровень. Это понятие описывает обычное самостоятельное свечение вещества.
Вынужденное излучение — переход возбуждённого атома на более низкий энергетический уровень под действием проходящего фотона, сопровождающийся испусканием второго фотона. Новый фотон имеет те же основные характеристики, что и вызвавший переход. Благодаря этому можно не только получить свет, но и усилить уже существующее излучение.
Фотон — квант электромагнитного излучения, то есть отдельная порция его энергии. Энергия фотона связана с частотой формулой E = hν, где h — постоянная Планка, а ν — частота. Эта формула позволяет по разности энергий атомных уровней найти частоту испущенного света.
Инверсная населённость — состояние вещества, при котором на верхнем энергетическом уровне находится больше частиц, чем на нижнем. В обычных условиях чаще заселён нижний уровень, поэтому свет в основном поглощается. Инверсия нужна, чтобы вынужденное излучение стало сильнее поглощения и могло обеспечить работу лазера.
Атом может находиться в возбуждённом состоянии, но оно неустойчиво, потому что состояние с меньшей энергией обычно более предпочтительно. При переходе вниз атом теряет энергию, и эта энергия уносится фотоном. Если энергии уровней равны E₂ и E₁, где E₂ > E₁, то частота определяется соотношением hν = E₂ − E₁.
При спонтанном переходе атом не получает команды от внешнего излучения. Момент испускания случаен, поскольку заранее нельзя указать, когда именно произойдёт переход. Направление и фаза фотона также не связаны с другими фотонами, поэтому отдельные акты такого излучения не образуют согласованный поток.
Вынужденное излучение возникает, когда к возбуждённому атому приближается фотон с подходящей энергией. Его энергия должна соответствовать разности между верхним и нижним уровнями, иначе нужный переход не вызовется. Взаимодействие с таким фотоном заставляет атом перейти вниз и испустить ещё один фотон.
Испущенный фотон совпадает с вызвавшим переход по частоте, направлению, поляризации и фазе. Поэтому два фотона движутся согласованно и могут усиливать друг друга, а не просто добавляться независимо. Если подобные переходы повторяются во множестве атомов, возникает направленное когерентное излучение.
В веществе одновременно возможны поглощение фотонов и вынужденное излучение. При поглощении атом нижнего уровня забирает фотон и переходит вверх, а при вынужденном излучении возбуждённый атом добавляет к проходящему свету новый фотон. Чтобы добавление преобладало, создают инверсную населённость, то есть увеличивают число атомов на верхнем уровне.
| Свойство | Поглощение | Спонтанное излучение | Вынужденное излучение |
|---|---|---|---|
| Начальное состояние атома | Нижний энергетический уровень | Возбуждённое состояние | Возбуждённое состояние |
| Условие перехода | Поглощение фотона подходящей энергии | Внешнее воздействие не требуется | Воздействие проходящего фотона подходящей энергии |
| Изменение энергии атома | Энергия увеличивается | Энергия уменьшается | Энергия уменьшается |
| Появление или изменение фотона | Фотон исчезает | Появляется один фотон | Появляется дополнительный фотон |
| Связь направления и фазы с внешним излучением | Поглощённого фотона нет | Связь отсутствует | Новый фотон согласован с вызвавшим |
Сначала определите начальный уровень атома и направление перехода: вверх означает поглощение, вниз — излучение. Затем проверьте, требуется ли внешний фотон и появляется ли новый фотон. Последняя строка помогает отличить случайное спонтанное излучение от согласованного вынужденного.
При переходе атома между уровнями с разностью энергий 3,0 · 10⁻¹⁹ Дж испускается фотон. Нужно найти его частоту. Используем связь энергии фотона с частотой и считаем постоянную Планка равной h = 6,63 · 10⁻³⁴ Дж·с.
Ответ: частота испущенного фотона примерно равна 4,5 · 10¹⁴ Гц. Чем больше разность энергий уровней, тем больше частота фотона. Единица Гц означает число колебаний электромагнитного поля в секунду.
Фотон частотой ν проходит через вещество с возбуждёнными атомами. Нужно определить, какой переход он может вызвать и как изменится число фотонов. Подходящий атом должен иметь разность энергий уровней ΔE = hν, а его начальное состояние должно быть возбуждённым.
Ответ: фотон может вызвать переход между уровнями, разность энергий которых равна hν. При этом число фотонов увеличивается на один, если не учитывать потери в веществе. Второй фотон совпадает с первым по частоте, направлению, поляризации и фазе.
В среде на нижнем уровне находится больше атомов, чем на верхнем. Нужно выяснить, будет ли проходящий свет усиливаться или ослабляться. Для этого сравнивают число возможных актов поглощения с числом актов вынужденного излучения.
Ответ: в указанной среде свет будет ослабляться. Для усиления необходимо создать инверсную населённость, при которой верхний уровень заселён сильнее нижнего. Тогда вынужденное излучение сможет преобладать над поглощением.
Ошибка 1. Спонтанное и вынужденное излучение считают одним процессом, потому что в обоих случаях атом испускает фотон. Проверяйте, есть ли внешний фотон, вызывающий переход: для спонтанного излучения он не нужен.
Ошибка 2. При вынужденном переходе новому фотону приписывают произвольные направление и фазу. Так ошибаются, если вспоминают случайность спонтанного излучения. Проверьте условие: вынужденно испущенный фотон согласован с вызвавшим его.
Ошибка 3. Испускание при переходе вниз путают с поглощением при переходе вверх. Причина ошибки — внимание только к фотону, а не к изменению энергии атома. Сначала определите направление перехода: уменьшение энергии означает испускание, увеличение — поглощение.
Ошибка 4. Наличие возбуждённых атомов считают достаточным для усиления света. Однако часть фотонов может поглощаться атомами нижнего уровня. Для проверки сравните заселённость уровней: усиление требует инверсной населённости.
До изучения излучения нужно знать модель энергетических уровней атома, понятия возбуждённого состояния и перехода между уровнями. Без этого трудно определить, когда атом получает энергию, а когда отдаёт её.
Формула E = hν связывает энергию фотона с частотой излучения. Поэтому по разности энергий уровней можно рассчитать частоту, а по частоте — установить возможный переход.
Вынужденное излучение и инверсная населённость объясняют принцип действия лазера. В лазере согласованные фотоны многократно усиливаются в активной среде и формируют направленный световой пучок.
Почему возбуждённый атом не остаётся в таком состоянии навсегда?
Возбуждённое состояние обычно неустойчиво: атом стремится перейти на уровень с меньшей энергией. Разность энергий при этом может выделиться в виде фотона.
Чем спонтанное излучение отличается от вынужденного?
Спонтанное излучение происходит без внешнего фотона, а момент и направление испускания случайны. Вынужденный переход вызывает проходящий фотон, а новый фотон оказывается согласованным с ним.
Откуда берётся энергия фотона при переходе атома?
Она берётся из энергии атома: при переходе вниз атом теряет энергию. Энергия фотона равна разности энергий уровней: E = hν.
Почему при вынужденном излучении свет усиливается?
Один проходящий фотон вызывает появление второго фотона с такими же характеристиками. Поэтому в подходящей среде число согласованных фотонов возрастает.
Зачем лазеру нужна инверсная населённость?
Без неё поглощение может преобладать над вынужденным излучением. Инверсная населённость означает, что на верхнем уровне частиц больше, чем на нижнем, поэтому усиление становится возможным.
6. Спонтанное и вынужденное излучение
