Phát xạ kích thích là quá trình một photon tới ở một tần số nhất định có thể tương tác với một điện tử nguyên tử bị kích thích (hoặc trạng thái phân tử bị kích thích khác), khiến nó giảm xuống mức năng lượng thấp hơn. Năng lượng giải phóng được chuyển sang trường điện từ, tạo ra một photon mới có pha, tần số, sự phân cực và hướng chuyển động giống với các photon của sóng tới. Và điều này xảy ra trái ngược với bức xạ tự phát, hoạt động theo các khoảng thời gian ngẫu nhiên, mà không tính đến trường điện từ xung quanh.
Điều kiện để có được phát xạ kích thích
Quá trình này giống với hình thức hấp thụ nguyên tử, trong đó năng lượng của photon bị hấp thụ gây ra sự chuyển đổi nguyên tử giống hệt nhau nhưng ngược lại: từ thấp hơn sangmức năng lượng cao hơn. Trong môi trường bình thường ở trạng thái cân bằng nhiệt, sự hấp thụ vượt quá phát xạ kích thích vì có nhiều electron ở trạng thái năng lượng thấp hơn ở trạng thái năng lượng cao hơn.
Tuy nhiên, khi có sự đảo ngược quần thể, tốc độ phát xạ kích thích vượt quá tốc độ hấp thụ và có thể đạt được khuếch đại quang thuần túy. Một phương tiện khuếch đại như vậy, cùng với một bộ cộng hưởng quang học, là cơ sở của tia laze hoặc maser. Thiếu cơ chế phản hồi, bộ khuếch đại laser và nguồn siêu phát quang cũng hoạt động trên cơ sở phát xạ kích thích.
Điều kiện chính để có được sự phát xạ kích thích là gì?
Electron và tương tác của chúng với trường điện từ rất quan trọng trong sự hiểu biết của chúng ta về hóa học và vật lý. Theo quan điểm cổ điển, năng lượng của một electron quay xung quanh hạt nhân nguyên tử sẽ lớn hơn đối với các quỹ đạo ở xa hạt nhân nguyên tử.
Khi một điện tử hấp thụ năng lượng ánh sáng (photon) hoặc nhiệt năng (phonon), nó sẽ nhận lượng tử năng lượng tới này. Nhưng chỉ cho phép chuyển đổi giữa các mức năng lượng rời rạc, chẳng hạn như hai mức năng lượng được hiển thị bên dưới. Điều này dẫn đến các đường phát xạ và hấp thụ.
Phương diện năng lượng
Tiếp theo, chúng ta sẽ nói về điều kiện chính để thu được bức xạ cảm ứng. Khi một electron bị kích thích từ mức năng lượng thấp hơn đến cao hơn, nó không có khả năng duy trì như vậy mãi mãi. Một electron ở trạng thái kích thích có thể phân rã xuống mức thấp hơntrạng thái năng lượng không bị chiếm dụng, phù hợp với một hằng số thời gian nhất định đặc trưng cho sự chuyển đổi này.
Khi một electron như vậy phân rã mà không có ảnh hưởng bên ngoài, phát ra một photon, đây được gọi là sự phát xạ tự phát. Pha và hướng liên quan đến một photon phát ra là ngẫu nhiên. Do đó, một vật liệu có nhiều nguyên tử ở trạng thái kích thích như vậy có thể tạo ra bức xạ có phổ hẹp (tập trung xung quanh một bước sóng ánh sáng), nhưng các photon riêng lẻ sẽ không có mối quan hệ pha chung và cũng sẽ được phát ra theo các hướng ngẫu nhiên. Đây là cơ chế phát huỳnh quang và sinh nhiệt.
Trường điện từ bên ngoài ở tần số liên quan đến quá trình chuyển đổi có thể ảnh hưởng đến trạng thái cơ lượng tử của nguyên tử mà không hấp thụ. Khi một điện tử trong nguyên tử chuyển đổi giữa hai trạng thái đứng yên (cả hai trạng thái không hiển thị trường lưỡng cực), nó sẽ chuyển sang trạng thái chuyển tiếp có trường lưỡng cực và hoạt động giống như một lưỡng cực điện nhỏ dao động ở tần số đặc trưng.
Khi phản ứng với điện trường ngoài ở tần số này, xác suất electron chuyển sang trạng thái như vậy tăng lên đáng kể. Do đó, tốc độ chuyển đổi giữa hai trạng thái tĩnh vượt quá độ lớn của phát xạ tự phát. Sự chuyển đổi từ trạng thái năng lượng cao hơn sang thấp hơn tạo ra một photon bổ sung có cùng pha và hướng với photon tới. Đây là quá trình phát xạ cưỡng bức.
Khai mạc
Phát xạ kích thích là khám phá lý thuyết của Einstein theo lý thuyết lượng tử cũ, trong đó bức xạ được mô tả dưới dạng photon, là lượng tử của trường điện từ. Bức xạ như vậy cũng có thể xảy ra trong các mô hình cổ điển mà không cần tham chiếu đến các photon hoặc cơ học lượng tử.
Sự phát xạ kích thích có thể được lập mô hình toán học cho một nguyên tử có thể ở một trong hai trạng thái năng lượng điện tử, trạng thái mức thấp hơn (có thể là trạng thái cơ bản) và trạng thái kích thích, với năng lượng lần lượt là E1 và E2.
Nếu một nguyên tử ở trạng thái kích thích, nó có thể phân rã thành trạng thái thấp hơn thông qua quá trình phát xạ tự phát, giải phóng sự chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái dưới dạng một photon.
Ngoài ra, nếu một nguyên tử ở trạng thái kích thích bị nhiễu bởi điện trường có tần số ν0, nó có thể phát ra thêm một photon có cùng tần số và cùng pha, do đó làm tăng trường ngoài, khiến nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn. Quá trình này được gọi là phát xạ kích thích.
Tỷ lệ
Hằng số tỉ lệ B21 được sử dụng trong phương trình xác định phát xạ tự phát và phát xạ cảm ứng được gọi là hệ số Einstein B cho quá trình chuyển đổi cụ thể đó, và ρ (ν) là mật độ bức xạ của trường tới ở tần số ν. Như vậy, tốc độ phát xạ tỷ lệ với số nguyên tử ở trạng thái kích thích N2 và mật độ của các photon tới. Đó là bản chấthiện tượng phát xạ kích thích.
Đồng thời, quá trình hấp thụ nguyên tử sẽ diễn ra, quá trình này lấy đi năng lượng từ trường, nâng các electron từ trạng thái thấp lên trạng thái trên. Tốc độ của nó được xác định bằng một phương trình về cơ bản giống hệt nhau.
Do đó, công suất thực được giải phóng vào một điện trường bằng năng lượng của một photon gấp h lần tốc độ chuyển tiếp thực này. Để đây là một số dương, biểu thị tổng phát xạ tự phát và cảm ứng, phải có nhiều nguyên tử ở trạng thái kích thích hơn ở mức thấp hơn.
Khác biệt
Tính chất của phát xạ kích thích so với các nguồn sáng thông thường (phụ thuộc vào phát xạ tự phát) là các photon phát ra có cùng tần số, cùng pha, phân cực và hướng truyền với các photon tới. Do đó, các photon liên quan là kết hợp lẫn nhau. Do đó, trong quá trình đảo ngược, sự khuếch đại quang học của bức xạ tới xảy ra.
Thay đổi năng lượng
Mặc dù năng lượng tạo ra bởi phát xạ kích thích luôn ở tần số chính xác của trường kích thích nó, mô tả ở trên về tính toán tốc độ chỉ áp dụng cho kích thích ở một tần số quang cụ thể, cường độ của kích thích (hoặc tự phát) phát xạ sẽ giảm theo được gọi là hình dạng đường. Chỉ xem xét sự mở rộng đồng đều ảnh hưởng đến cộng hưởng nguyên tử hoặc phân tử, hàm hình dạng vạch quang phổ được mô tả dưới dạng phân bố Lorentz.
Do đó, sự phát xạ kích thích được giảm bớt bởihệ số. Trong thực tế, sự mở rộng dạng đường do giãn nở không đồng nhất cũng có thể diễn ra, chủ yếu là do hiệu ứng Doppler do sự phân bố vận tốc trong khí ở một nhiệt độ nhất định. Điều này có hình dạng Gaussian và làm giảm cường độ đỉnh của hàm hình dạng đường. Trong một bài toán thực tế, hàm định dạng đường hoàn chỉnh có thể được tính bằng cách kết hợp các hàm định dạng đường riêng lẻ có liên quan.
Phát xạ kích thích có thể cung cấp một cơ chế vật lý để khuếch đại quang học. Nếu một nguồn năng lượng bên ngoài kích thích hơn 50% số nguyên tử ở trạng thái cơ bản chuyển sang trạng thái kích thích, thì cái gọi là nghịch đảo quần thể được tạo ra.
Khi ánh sáng có tần số thích hợp truyền qua môi trường đảo ngược, các photon hoặc bị hấp thụ bởi các nguyên tử vẫn ở trạng thái cơ bản hoặc kích thích các nguyên tử bị kích thích phát ra thêm các photon có cùng tần số, cùng pha và hướng. Vì có nhiều nguyên tử ở trạng thái kích thích hơn ở trạng thái cơ bản, kết quả là cường độ đầu vào tăng lên.
Hấp thụ bức xạ
Trong vật lý, sự hấp thụ bức xạ điện từ là cách năng lượng của một photon bị vật chất, thường là các electron của nguyên tử, hấp thụ. Do đó, năng lượng điện từ được chuyển thành nội năng của chất hấp thụ, chẳng hạn như nhiệt. Sự giảm cường độ của sóng ánh sáng truyền trong môi trường do sự hấp thụ một số photon của nó thường được gọi là sự suy giảm.
Bình thường hấp thụ sóngkhông phụ thuộc vào cường độ của chúng (hấp thụ tuyến tính), mặc dù trong những điều kiện nhất định (thường là trong quang học) môi trường thay đổi độ trong suốt tùy thuộc vào cường độ của sóng truyền qua và độ hấp thụ bão hòa.
Có một số cách để định lượng mức độ nhanh chóng và hiệu quả của bức xạ được hấp thụ trong một môi trường nhất định, chẳng hạn như hệ số hấp thụ và một số đại lượng đạo hàm liên quan chặt chẽ.
Hệ số suy giảm
Một số tính năng của hệ số suy giảm:
- Yếu tố suy giảm, đôi khi, nhưng không phải lúc nào cũng đồng nghĩa với yếu tố hấp thụ.
- Khả năng hấp thụ mol được gọi là hệ số tắt của mol. Nó là độ hấp thụ chia cho nồng độ mol.
- Hệ số suy giảm khối lượng là hệ số hấp thụ chia cho mật độ.
- Tiết diện hấp thụ và tán xạ liên quan chặt chẽ với các hệ số (tương ứng là hấp thụ và suy giảm).
- Sự tuyệt chủng trong thiên văn học tương đương với hệ số tắt dần.
Hằng số cho phương trình
Các thước đo hấp thụ bức xạ khác là độ sâu xuyên thấu và hiệu ứng da, hằng số truyền, hằng số suy giảm, hằng số pha và số sóng phức, chiết suất phức và hệ số tắt, độ cho phép phức, điện trở suất và độ dẫn điện.
Hấp
Hấp thụ (còn gọi là mật độ quang học) và quang họcđộ sâu (còn gọi là độ dày quang học) là hai thước đo có liên quan với nhau.
Tất cả những đại lượng này, ít nhất là ở một mức độ nào đó, một phương tiện hấp thụ bức xạ bao nhiêu. Tuy nhiên, những người thực hành các lĩnh vực và phương pháp khác nhau thường sử dụng các giá trị khác nhau được lấy từ danh sách ở trên.
Sự hấp thụ của một vật thể xác định lượng ánh sáng tới được nó hấp thụ (thay vì phản xạ hoặc khúc xạ). Điều này có thể liên quan đến các thuộc tính khác của đối tượng thông qua định luật Beer – Lambert.
Phép đo chính xác độ hấp thụ ở nhiều bước sóng giúp xác định một chất bằng phương pháp quang phổ hấp thụ, nơi mẫu được chiếu sáng từ một phía. Một vài ví dụ về sự hấp thụ là quang phổ nhìn thấy được tia cực tím, quang phổ hồng ngoại và quang phổ hấp thụ tia X.
Đơn
Tìm hiểu và đo lường sự hấp thụ của điện từ và bức xạ cảm ứng có rất nhiều ứng dụng.
Ví dụ: khi được phân phối qua đài phát thanh, nó được trình bày khuất tầm nhìn.
Sự phát xạ kích thích của tia laser cũng được biết đến nhiều.
Trong khí tượng và khí hậu, nhiệt độ toàn cầu và địa phương phụ thuộc một phần vào sự hấp thụ bức xạ của khí trong khí quyển (ví dụ, hiệu ứng nhà kính), cũng như bề mặt đất liền và đại dương.
Trong y học, tia X được hấp thụ ở các mức độ khác nhau bởi các mô khác nhau (đặc biệt là xương), là cơ sở để chụp X quang.
Cũng được sử dụng trong hóa học và khoa học vật liệu, như khácvật liệu và phân tử sẽ hấp thụ bức xạ ở các mức độ khác nhau ở các tần số khác nhau, cho phép xác định vật liệu.
Trong quang học, kính râm, kính lọc màu, thuốc nhuộm và các vật liệu tương tự khác được thiết kế đặc biệt để tính đến bước sóng nhìn thấy được mà chúng hấp thụ và tỷ lệ như thế nào. Cấu trúc của kính phụ thuộc vào các điều kiện mà sự phát xạ kích thích xuất hiện.
Trong sinh học, các sinh vật quang hợp cần ánh sáng có bước sóng thích hợp để được hấp thụ trong vùng hoạt động của lục lạp. Điều này là cần thiết để năng lượng ánh sáng có thể được chuyển đổi thành năng lượng hóa học trong đường và các phân tử khác.
Được biết trong vật lý, vùng D của tầng điện ly Trái đất hấp thụ đáng kể các tín hiệu vô tuyến rơi vào phổ điện từ tần số cao và có liên quan đến bức xạ cảm ứng.
Trong vật lý hạt nhân, sự hấp thụ bức xạ hạt nhân có thể được sử dụng để đo mức chất lỏng, đo mật độ hoặc đo độ dày.
Các ứng dụng chính của bức xạ cảm ứng là máy phát lượng tử, laser, thiết bị quang học.
