Атом и свет: три баланса
Переключай процесс и этап. Проследи, куда переходит энергия возбуждения.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Разность уровней 2 эВ. Фотоны и стрелки — схема квантового баланса, не точные траектории частиц.
Самопроизвольный переход
Возбуждённый атом может перейти на более низкий уровень без внешнего запуска соответствующим фотоном. Это спонтанное излучение. Энергия фотона задаётся разностью уровней, а момент конкретного перехода имеет вероятностный характер.
Для ансамбля независимых атомов отдельные события обычно не согласованы по фазе и направлению. Не следует превращать это в утверждение, что каждое спонтанное излучение всегда совершенно одинаково во всех направлениях: распределение зависит от перехода и условий.
Возбуждение
Атом получает запас энергии
Ожидание
Момент перехода вероятностный
Спонтанный переход
Энергия уходит с фотоном
Спонтанное излучение не требует приходящего фотона, запускающего данный переход.
Можно ли заранее назвать точную секунду распада одного возбуждённого атома по среднему времени жизни?
Нет. Среднее время описывает статистику большого числа событий, а не точный график каждого атома.
Вынужденное излучение
Резонансное электромагнитное поле может вызвать переход возбуждённого атома вниз. Испущенное излучение усиливает ту же моду поля: совпадают частота, направление и поляризация, сохраняется фазовая согласованность. Это основа оптического усиления.
В наглядной однофотонной схеме один фотон входит, а после взаимодействия в той же моде два. Дополнительная энергия берётся из возбуждения атома. Здесь не происходит создания энергии из ничего или произвольного копирования неизвестного квантового состояния.
| Спонтанное | Вынужденное |
|---|---|
| Переход без внешнего резонансного запуска | Переход под действием поля |
| События ансамбля обычно несогласованны | Усиливается заданная мода |
| Источник энергии — возбуждение | Источник энергии — возбуждение |
При вынужденном излучении энергия возбуждённого атома добавляется к согласованному световому потоку.
Откуда энергия второго фотона в схеме?
Атом переходит на более низкий уровень, отдавая разность энергий в поле.
Разряд в плазменной лампе
Свечение разряда сопровождает возбуждение и последующее излучение частиц газа. Само свечение ещё не доказывает инверсию населённостей или лазерную генерацию.
Luc Viatour · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Оптические пути внутри лазерной системы
Согласованные световые пучки формируются оптической системой. Фотография показывает приборный пример, а не схему для самостоятельной сборки.
Alexey Vazhnov · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Конкуренция с поглощением
То же резонансное поле может переводить атомы снизу вверх, то есть поглощаться. Для усиления нужно, чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением и потерями. В простой системе уровней с одинаковыми статистическими весами это требует Nверх > Nниз.
Такое распределение называют инверсией населённостей. В тепловом равновесии для обычной пары уровней верхний уровень менее населён. Поэтому необходима накачка — внешний подвод энергии, поддерживающий неравновесное состояние.
Поглощение
Нижний → верхний уровень
Усиление
Верхний → нижний под действием поля
Простая инверсия
Nверх > Nниз при одинаковых весах
Усилитель света получает энергию от накачки, поддерживающей возбуждённые состояния.
Почему просто нагреть обычную двухуровневую систему недостаточно для устойчивой инверсии?
Тепловое равновесие не делает верхний уровень более населённым при одинаковых статистических весах; нужны неравновесные процессы.
Модель трёх процессов
Переключай спонтанное излучение, вынужденное излучение и поглощение, затем двигай ползунок этапа. Модель считает фотоны выбранной учебной схемы и энергию атома до и после. Она показывает баланс, а не точные траектории квантов.
Для разности уровней 2 эВ спонтанный переход переводит 2 эВ возбуждения в один фотон. Вынужденный: исходный фотон 2 эВ плюс возбуждение 2 эВ дают два фотона по 2 эВ. При поглощении один фотон передаёт атомному возбуждению 2 эВ.
Назвать исходное состояние
Основное или возбуждённое
Учесть входящий свет
Есть ли резонансный фотон
Проверить баланс
Энергия атома плюс энергия поля
Во всех трёх процессах сохраняется энергия атома и излучения вместе.
Вынужденное излучение означает, что атом получает энергию от запускающего фотона?
При этом процессе атом отдаёт накопленную энергию; получение энергии от фотона соответствует поглощению.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 33. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 33. Спонтанное и индуцированное излучение.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.