Населенности энергетических состояний и виды излучений
Выберем из энергетического спектра системы атомов два энергетических уровня W1 и W2 , причём W2 >W1. Число атомов N системы, имеющих данную энергию, называется населённостью энергетического уровня. Таким образом, уровням W1 и W2 соответствуют населённости N1и N2.
Известно, что все системы в природе стремятся к состоянию устойчивого равновесия, которое характеризуется минимумом потенциальной энергии. Для системы атомов это означает, что при заданных значениях энергии W1 и W2(W2 >W1) большая их часть будет находится в состоянии с меньшей энергией W1. Математически распределение населённостей энергетических уровней в системе атомов, находящихся в равновесном состоянии, задается функцией Больцмана, график которой изображен на рис.77.1:
Рисунок 77.1
(77.1)
где N1 – населённость уровня W1; N2 – населённость уровня W2 ; T – абсолютная термодинамическая температура, Т>0.
При любой заданной температуре величина <1, а значит и <1 и N2<N1.
Только при T→∞ N2-N1, т.е. все энергетические состояния могут быть заселены одинаково. Следовательно, при любых тепловых возбуждениях энергетически более высокое состояние заселено меньше любого низшего.
Искусственным путём можно привести систему атомов в термически неравновесное состояние с антибольцмановским населением уровней, т.е. сделать N2>N1. Такое неравновесное состояние системы называется инверсией (обращением) населенностей. Математически это значит, что и >1. При W2 >W1 это возможно лишь при отрицательных значениях температуры Т. Поэтому среду, в которой осуществлена инверсия населённостей между какими-либо уровнями, называют иногда средой с «отрицательной» температурой. Поглощение энергии системой сопровождается переходами 1-2 на рисунке 77.2:
Рисунок 77.2
Среднее время жизни возбуждённого состояния порядка 10-8с, за это время атом переходит в более низкое энергетическое состояние самопроизвольно (спонтанно) или вынужденно, излучая при этом энергию. Существуют и такие возбужденные состояния атомов, излучательные переходы которые либо идут с малой вероятностью, либо вовсе запрещены. Время жизни таких состояний, называемых метастабильными, велико и достигает порядка 10-3с.
При спонтанном переходе за счет того, что каждый атом излучает независимо от других, несогласованно, излученные фотоны имеют произвольные фазы и поляризации и вылетают из данной системы атомов в произвольных направлениях. Волны, соответствующие этим фотонам, будут некогерентными, рассеянными в пространстве, с малой плотностью энергии излучения (плотность энергии – это энергия, приходящаяся на единицу излучающей поверхности).
Вынужденный (индуцированный ) переход происходит в случае, если мимо атома, находящегося в возбужденном состоянии W2 , пролетает фотон, энергия которого находится в резонансе с энергией уровней 1 и 2 , т.е. hν= W2 -W1 (рисунок 77.2)
Этот фотон «подталкивает» возбуждённый атом с энергией W2, и тот «скатывается» в состояние W1, излучая фотон полностью идентичный фотону, вызвавшему переход, той же частоты, фазы, поляризации и летящей в том же направлении. Этот процесс можно изобразить диаграммой (рисунок77.3):
Рисунок 77.3
На ней волнистые стрелочки обозначают фотоны. Волны, соответствующие первичным и вторичным фотонам, когерентны, распространяются в одном направлении, усиливая друг друга. Плотность энергии излучения велика, т.к. излучаемая энергия приходится на очень малую площадь.
Кроме этих переходов, в твердых телах возможен еще один тип- релакционный. Он не сопровождается излучением, избыточная энергия передается кристаллической решетке в виде усиления колебаний её узлов, что приводит к нагреву всего кристалла.
Дата добавления: 2020-02-05; просмотров: 523;