Spontánní Emise Fotonu: Vysvětlení Fenoménu

Světlo, se kterým se setkáváme každý den, je tvořeno fotony. Tyto částice světla mohou vznikat různými způsoby, jedním z nichž je spontánní emise. V tomto článku se podíváme na to, co spontánní emise fotonu znamená a jak funguje.

Základní Pojmy

Pro pochopení spontánní emise je důležité znát několik základních pojmů:

• Atom: Základní stavební jednotka hmoty, skládající se z jádra a elektronů.
• Energetické Hladiny: Elektrony v atomu mohou existovat pouze na určitých diskrétních energetických hladinách.
• Foton: Částice elektromagnetického záření, nesoucí energii.
• Excitace: Proces, při kterém atom absorbuje energii a elektron přechází na vyšší energetickou hladinu.

Spontánní Emise

Spontánní emise (samovolná emise) je přechod atomu z vyššího energetického stavu do stavu nižšího s energií, při kterém atom (resp. molekula) vyzáří foton o frekvenci splňující podmínku. Jednotlivé atomy při ní vyzařují nekoordinovaně, emitované fotony mají různou fázi a vznikající elektromagnetické záření je nekoherentní.

Zjednodušeně řečeno, atom, který je v excitovaném stavu, se samovolně vrátí do základního stavu a uvolní přitom foton. Tento proces je náhodný a nekoordinovaný.

Absorpce a spontánní emise jsou vlastně procesy opačné a oba stejně pravděpodobné.

Čtěte také: Vše o emisních normách

Absorpce

Absorpce je opačný proces, při kterém atom (resp. molekula) v nižším energetickém stavu pohltí foton odpovídající frekvence a přejde do vyššího stavu, přičemž platí. Rozdíl energií musí atom resp. molekula získat najednou!

Stimulovaná Emise

Stimulovaná emise - existenci tohoto třetího procesu dokázal A. Einstein ve své práci z roku 1912. Při tomto procesu foton s frekvencí dopadá na atom (resp. molekulu) ve vyšším energetickém stavu a přiměje ho k přechodu do nižšího stavu za vyzáření dalšího fotonu. Původní foton se přitom nepohltí a oba fotony se pohybují společně dále stejným směrem, jako foton, který emisi vyvolal. Jsou synchronizovány, mají stejnou frekvenci a stejnou fázi. Jedná se tedy o koherentní záření (koherentní vlnění). Záření se tak zesiluje a proces se může lavinovitě opakovat s dalšími atomy (resp.

Aby k tomu mohlo dojít musí být energie vnějšího fotonu rovna rovna rozdílu energií excitované a základní hladiny. Rozdíl oproti spontánní emisi je v tom, že všechny charakteristiky emitovaného fotonu odpovídají stimulujícímu fotonu.

Laser

LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - zesílení světla stimulovanou emisí záření. Využívá se v mnoha aplikacích.

Základem funkce všech laserů je proces stimulované emise. U polovodičových laserů je však tento proces specifický v tom, že v polovodičových krystalech jsou aktivní atomy hustě vedle sebe a zářivé přechody se neuskutečňují mezi diskrétními energetickými hladinami, ale mezi energetickými pásy.

Čtěte také: Více o pamětních emisích

Laser je komplikované zařízení, které lze doopravdy pochopit pouze se znalostí kvantové mechaniky. V principu laser funguje tak, že s pomocí fotonů určité frekvence vybudíme elektrony v atomovém obalu a ty jsou nuceny „povyskočit“ na vyšší energetickou hladinu (absorpce). Tam ale nevydrží příliš dlouho a opět „seskočí“ na své původní místo a při tom vyzáří foton (emise).

Co dělá laserový svazek tak unikátním ? Je to právě fakt, že dopadající a emitovaný foton mají stejnou energii (frekvenci), stejný směr, polarizaci a fázi. Z toho plynou základní tři vlastnosti laseru, které ho odlišují od jiných zdrojů záření.

• Kolimovaný (tj. svazek je rovnoběžný a nerozbíhá se).
• Monochromatický ("jednobarevný", tj. generované fotony mají stejnou frekvenci resp. vlnovou délku).
• Koherentní (generované fotony jsou tzv. ve fázi).

Příklad Konstrukce Laseru

Příklad konstrukce laseru:

1. Aktivní prostředí
2. Zdroj energie
3. Nepropustné zrcadlo
4. Polopropustné zrcadlo
5. Laserový paprsek

Zdroj energie zajišťuje přítomnost systémů v excitovaném stavu. Jakmile se spontánní emisí uvolní foton, vyvolá stimulovanou emisi dalších fotonů.

Detekce Záření

Detektory záření zpracovávají dopadající energii vyzářenou zdrojem. Po absorpci energie dochází ke změně fyzikálních vlastností detektoru, např. uvolnění elektronů u fotoelektrických detektorů či změna teploty u tepelných detektorů optického záření.

Čtěte také: CIM Ministerstvo Emise: Vysvětlení

Typy detektorů:

• Tepelné detektory
• Fotoelektrické detektory
• Fotochemické detektory

Absorpce Světla

Absorpce světla je fyzikální jev, při němž dochází k zeslabování intenzity záření a jehož sledování patří mimo jiné i pod obor spektrofotometrie, která ho využívá pro stanovování vlastností vzorků.

Na světlo nazíráme jako na proud fotonů s určitou energií, která je při absorpci pohlcena jiným předmětem, například atomem, jehož valenční elektrony jsou zrovna v přechodu mezi dvěma úrovněmi energií a mohou tedy díky tomuto energetickému zisku přejít do vyššího stavu. Foton při tomto procesu zaniká, energie je pohlcena předmětem a následně může být přeměněna na energii tepelnou (tedy kinetickou energii částic), nebo být opět vyzářena (přeměna zpět ve světelnou energii se nazývá luminiscence).

V zásadě lze tedy říci, že při absorpci se mění světlo v jiný druh energie.

Korpuskulárně Vlnový Dualismus

Na druhé straně Planckova kvantová hypotéza vysvětlující spektrum rovnovážného záření, Einsteinova teorie fotoefektu a Comptonův jev nás přesvědčují o tom, že světlo má částicový (korpuskulární) charakter. Tím ale vzniká rozpor neřešitelný v rámci klasické makroskopické fyziky: Je-li světlo proud částic (fotonů), jak je možné vysvětlit jeho difrakci na dvou štěrbinách?

Uvedený rozpor se nazývá korpuskulárně vlnový dualismus (částicově vlnový dualismus).

tags: #spontánní #emise #fotonu #vysvětlení

Oblíbené příspěvky:

• Nová vyhláška o solárních panelech
• Nová kontejnerová stání v Chomutově
• Charakteristika klimatických oblastí
• Dopad administrativní práce
• Česká filosofie o přírodě