Најважније из лекције
- Спонтана емисија: Прелазак атома са вишег на нижи ниво без спољашњег утицаја; генерише некохерентно зрачење (\( h\nu = E_j - E_i \)).
- Апсорпција: Атом упија фотон енергије \( h\nu = E_j - E_i \) и прелази на виши енергијски ниво; сноп светлости слаби.
- Стимулисана емисија: Упадни фотон подстиче ексцитовани атом на деексцитацију, ослобађајући други, идентичан фотон (исти правац, фаза, поларизација и енергија). Ово омогућава појачање кохерентне светлости у ласерима.
Процес при коме се атом, који се налази у побуђеном (ексцитованом) стању са вишом енергијом \( E_j \), спонтано (без спољашњег утицаја) враћа у стање са нижом енергијом \( E_i \) уз емитовање фотона.
\[ h\nu = E_j - E_i \]
где је \( h \) Планкова константа, \( \nu \) фреквенција емитованог фотона, а \( E_j \) и \( E_i \) енергије одговарајућих енергијских нивоа.
Спонтана емисија је случајан процес: настали фотони се емитују у свим правцима, са различитим фазама и различитим поларизацијама, што значи да је зрачење некохерентно.
Процес супротан спонтаној емисији, у коме електрон у атому апсорбује упадни фотон енергије \( h\nu = E_j - E_i \) и прелази са нижег енергијског нивоа на виши енергијски ниво (ексцитација атома).
При апсорпцији се интензитет упадног снопа светлости смањује, јер се енергија фотона троши на подизање атома у више енергијско стање.
Број апсорпција у јединици времена сразмеран је укупном броју атома у основном (нижем) стању у материјалу кроз који светлост пролази.
Квантни процес у коме упадни фотон, чија је енергија тачно једнака разлици енергијских нивоа (\( h\nu = E_j - E_i \)), подстиче (стимулише) већ ексцитовани атом да пређе на нижи ниво, при чему се емитује нови фотон.
Емитовани фотон има потпуно исте карактеристике као упадни фотон:
- исту фреквенцију (таласну дужину)
- исту фазу
- исти правац простирања
- исту раван поларизације
Ајнштајнов однос вероватноћа: Вероватноћа да непобуђен атом апсорбује фотон једнака је вероватноћи да побуђен атом под дејством фотона истог снопа доживи стимулисану емисију.
Доминантност процеса зависи од стања средине:
- Ако има више атома у основном стању него у ексцитованом \(\rightarrow\) доминира апсорпција (светлост слаби).
- Ако има више атома у ексцитованом стању \(\rightarrow\) доминира стимулисана емисија (светлост се појачава).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (Лако): По чему се фотон настао стимулисаном емисијом разликује од фотона насталог спонтаном емисијом у односу на упадни сноп?
Фотон емитован спонтано има случајан правац, фазу и поларизацију. За разлику од њега, фотон настао стимулисаном емисијом има потпуно исту фреквенцију, фазу, правац простирања и раван поларизације као и упадни фотон који је стимулисао његову емисију (кохерентан је са упадним фотоном).
Задатак 2 (Средње): Разлика енергија између два енергијска нивоа у атому износи \( \Delta E = 3{,}2 \cdot 10^{-19}\text{ J} \). Колика мора бити фреквенција упадног фотона да би могао да изазове процес апсорпције или стимулисане емисије? (Узети \( h \approx 6{,}63 \cdot 10^{-34}\text{ J}\cdot\text{s} \)).
Услов за интеракцију је \( h\nu = \Delta E \).
Одатле је фреквенција фотона: \[ \nu = \frac{\Delta E}{h} = \frac{3{,}2 \cdot 10^{-19}\text{ J}}{6{,}63 \cdot 10^{-34}\text{ J}\cdot\text{s}} \approx 4{,}83 \cdot 10^{14}\text{ Hz} \]
Одатле је фреквенција фотона: \[ \nu = \frac{\Delta E}{h} = \frac{3{,}2 \cdot 10^{-19}\text{ J}}{6{,}63 \cdot 10^{-34}\text{ J}\cdot\text{s}} \approx 4{,}83 \cdot 10^{14}\text{ Hz} \]
Задатак 3 (Тешко): Кроз активну средину пролази монохроматски светлосни сноп одређене фреквенције \( \nu \). Објаснити шта се дешава са интензитетом снопа ако је средина у стању где је број ексцитованих атома на нивоу \( E_j \) мањи од броја атома на основном нивоу \( E_i \), а шта ако је већи.
1. Када је број атома у основном стању већи од броја ексцитованих атома, укупан број апсорпција фотона већи је од броја стимулисаних емисија, па сноп при проласку кроз средину слаби (долази до апсорпције).
2. Када је број атома у ексцитованом стању већи од броја у основном стању, број стимулисаних емисија премашује број апсорпција, па сваки упадни фотон стимулише ослобађање нових, идентичних фотона - тада се интензитет снопа појачава (ласерски ефекат).
2. Када је број атома у ексцитованом стању већи од броја у основном стању, број стимулисаних емисија премашује број апсорпција, па сваки упадни фотон стимулише ослобађање нових, идентичних фотона - тада се интензитет снопа појачава (ласерски ефекат).
