Физика

за сваког по нешто

Спонтана и стимулисана емисија зрачења

Преузми Word документ

Зрачење електромагнетних таласа од стране неких тела може да се оствари на рачун различитих облика енергије побуде. Као најраспрострањеније јавља се топлотно зрачење. Топлотно зрачење  представља зрачење електромагнетних таласа на рачун унутрашње енергије тела.

Осим топлотног зрачења, постоји још једна врста зрачења тела која не зависи од њихове температуре. Ова врста зрачења је названа луминесценција. Овај облик зрачења се разликује од топлотног зрачења по начину настајања, особинама и времену трајања.

Луминесценција је процес хладне емисије зрачења које се не покорава законима топлотног зрачења. Термин “хладна“ користи се зато што енергија овог зрачења не потиче од претварања топлотне eнергије у светлосну, већ од неког другог вида енергије. Може да се јави веома интензивно и на ниским температурама и у свим агрегатним стањима. Ово зрачење обухвата области од ултраљубичасте, преко видљивог дела светлости све до инфрацрвеног зрачења.

Према врсти енергије која се претвара у зрачење постоји више типова луминесценције:

  • фотолуминесценција – када се одређена супстанца осветли светлошћу, она емитује светлост веће таласне дужине (мање фреквенције)
  • радиолуминесценција – зрачење изазвано високоенергетским честицама, радиоактивним зрацима и Х-зрацима (на екрану рендгенског апарата)
  • катодолуминесценција – настаје при удару електрона (катодних зрака) у препреку (на овој појави је заснован рад већине екрана са катодним цевима – осцилоскоп, телевизор)
  • хемолуминесценција – директна трансформација хемијске енергије у енергију зрачења, без ослобођења топлоте (светљење фосфора у мраку)
  • електролуминесценција – изазива се електричним пражњењем у разређеним гасовима, при чему гас светли (флуоресцентне цеви, живине и ксенонске лапме)
  • биолуминесценција – изазвана различитим процесима у живим организмима (светљење свитаца и неких врста риба)

 Код течности и гасова луминесцентна светлост при фотолуминесценцији нестаје истовремено са престанком осветљавања тела,  док код чврстих тела, та светлост се продужава неколико минута, па чак и неколико часова.

Ова појава може да се уочи и код осталих типова зрачења. Према трајању побуђеног стања, односно према времену трајања емисије зрачења после престанка побуђивања луминесценција се дели на флуоресценцију и фосфоресценцију. Ако је поменуто време мање од 10-4 секунди, ради се о флуоресценцији, а када је време дуже одиграва се фосфоресценција.

Луминесцентна светлост која се гаси прекидом осветљавања тела, назива се флуоресценција. Појава да та светлост постоји и после престанка осветљавања, назива се фосфоресценција.

Класична физика није била у стању да објасни појаву луминесценције. Појава је објашњена применом резултата до којих је довела квантна теорија.

Електрон се, пре побуђивања налази у основном енергетском стању, односно на основног енергетском нивоу. Довођењем енергије електрону, он прелази на виши енергетски ниво. Приликом повратка електрона на основни ниво емитује се електромагнетно зрачење.

Могућа су два случаја:

  • електрон се враћа на основни ниво за веома кратко време при чему се емитује флуоресцентни фотон
  • електрон се не враћа директно у основно стање већ се успут задржава на прелазним енергетским стањима (метастабилни ниво електрона) и након тога прелази на основни ниво уз емисију фосфоресцентног фотона

Могућ је и повратак електрона са метастаблиног нивоа на побуђени ниво, обично на вишим температурама). Приликом преласка са побуђеног односно метастабилног нивоа електрон може да пређе директно на основни ниво, а може успут да се задржава на прелазним енергетским стањима. Број емитованих фотона зависи од броја прелазних енергетских стања електрона. На сваки апсорбовани фотон супстанца емитује најмање два фотона.

На основу наведеног може да се закључи да фотони луминесцентне светлости имају мању енергију, односно већу таласну дужину од фотона упадне светлости.

Флуоресценција се практично јавља при сви температурама, а фосфоресценција при нижим температурама.

Најчешће је луминесцентна светлост у видљивом, а упадна у ултраљубичастом подручју.

 

 

СПОНТАНА И СТИМУЛИСАНА ЕМИСИЈА

Квантни системи (атоми, јони или молекули) емитују или апсорбују светлост при промени квантних стања електрона (квантни прелази). Под квантним прелазима подразумева се прелаз из једног енергетског стања у друго. Постоје три основна квантна прелаза: апсорпција, спонтана емисија и стимулисана емисија.

 

Апсорпција

Ако се атом налази у стању Еn, он може да се побуди у више енергетско стање Еk, када апсорбује фотон енергије

hf = E_{k}- E_{n}

Процесима апсорпције смањује се број фотона, односно слаби интензитет светлости која пролази кроз дату средину.

 

Спонтана емисија

Сви системи у природи, па и атом, теже стању са минимумом енергије, јер су у том стању најстабилнији.

Атом у побуђеном стању проведе веома кратко време (реда 10-8s), после чега се прелази на ниже енергетско стање емитујући фотон енергије

hf = E_{k}- E_{n}

При спонтаној емисији у неком систему добија се некохерентно и неполаризовано зрачење. Фотони имају различите енергије и смерове кретања. Узрок овакве појаве је што сваки атом почиње и завршава емисију фотона независно од других. И у оквиру истог атома, прелази се врше између различитих нивоа у различитим тренуцима времена. То значи да се спонтано зрачење може приказати великим бројем међусобно независних таласа који имају различите смерове кретања, различите фазе, фреквенције (таласне дужине) и стање поларизације.

 

Стимулисана емисија

Поред процеса спонтане емисије, могућ је и процес стимулисане (индуковане) емисије.

Ако се на побуђени атом наиђе фотон одговарајуће енергије hf = E_{k}- E_{n}, може доћи до преласка атома у ниже енергетско стање, при чему се емитују два међусобно паралелна фотона једнаких енергија. Описани процес се назива стимулисана емисија.

Фотони добијени стимулисаном емисијом имају исте фреквенције (таласне дужине), исти правац, исте фазе и равни поларизације. При стимулисаној емисији добија се кохерентна светлост.

Процесима стимулисане емисије повећава се број фотона, односно појачава се интензитет светлости у датој средини.

Светлост одговарајуће фреквенције у некој средини се може појачавати или слабити. Ако је већи број атома у нижем енергетском стању, процес апсорпције је доминантан над процесом стимулисане емисије и светлост слаби. Ако је већи број побуђених атома, процес стимулисане емисије доминира над процесом апсорпције и светлост се појачава.

За одржавање стимулисане емисије, потребно је да број атома побуђеном стању буде знатно већи од броја атома, који се налази у основном стању. Појавио се проблем како да се пронађе подесан поступак да се то и оствари. Пошто интензитет светлости зависи од броја фотона, који учествују у стимулисаној емисији, утврђено је да њихов број може да се повећа ако се цео атомски систем постави у простор између између два паралелна огледала  чији је задатак да фотоне, који на њих падају, одбијају и враћају назад у систем.

 

 

 

 

Ласери