Schematyczne przedstawienie emisji wymuszonej:
A – atom w stanie wzbudzonym (
elektron
na poziomie o energii E2) oraz foton inicjujący
B – atom w momencie pobudzenia przez foton (
hν)
C – atom i fotony po emisji wymuszonej
W
optyce
emisja wymuszona (stymulowana, indukowana) – proces
emisji
fotonów
przez
materię
w wyniku
oddziaływania
z fotonem inicjującym. Warunkiem do tego, aby emisja wymuszona nastąpiła, jest równość energii fotonu z
energią wzbudzenia
atomu
. Foton inicjujący emisję nie jest pochłaniany przez materię – pełni tylko rolę wyzwalającą proces. Foton emitowany przez atom ma
częstotliwość
(a więc również
energię
),
fazę
i
polaryzację
taką samą jak foton wywołujący emisję. Kierunek
ruchu
obu fotonów również jest ten sam. Światło złożone z takich identycznych fotonów nazywa się
światłem spójnym
. Zjawisko to jest podstawą działania
laserów
.
Emisja wymuszona została przewidziana przez
Alberta Einsteina
, który zauważył, że bez występowania tego zjawiska nie mogłoby dojść do równowagi między pochłanianiem i emisją promieniowania. Rozumował on następująco:
Oddziaływanie atomu z fotonem wywołuje pochłonięcie fotonu z
prawdopodobieństwem
zależnym tylko od natężenia oświetlenia, czyli ilości fotonów. Emisja natomiast jest spontaniczna, a jej prawdopodobieństwo zależny wyłącznie od średniego czasu życia stanu wzbudzonego (wielkości charakteryzującej wzbudzony
poziom energetyczny
). Gdyby miały miejsce tylko te dwa procesy - pochłaniania i
emisji spontanicznej
, wówczas w krótkim czasie wszystkie atomy zostałyby wzbudzone i promieniowanie nie byłoby już pochłaniane i emitowane. Doświadczenie wskazuje, że jest inaczej - wytwarza się stan równowagi pomiędzy absorpcją i emisją promieniowania. To oznacza, że musi istnieć dodatkowy mechanizm emisji, przy czym ilość emitowanych fotonów musi zależeć od ilości fotonów padających. Tym mechanizmem jest właśnie emisja wymuszona.
Emisja wymuszona jest zjawiskiem odwrotnym do pochłaniania fotonów przez atomy (
cząsteczki
). Prawdopodobieństwo pochłonięcia fotonu przez atom w stanie podstawowym jest takie samo jak prawdopodobieństwo emisji wymuszonej atomu wzbudzonego, dlatego o wielkości emisji/pochłaniania ośrodka decyduje różnica liczby atomów w stanie wzbudzonym i podstawowym.
Bibliografia
Jarosław Chrostowski. Era posłusznych fotonów. „
Wiedza i Życie
”, ss. 24-30 (czerwiec 2010). Warszawa:
Prószyński Media
.
ISSN
0137-8929
.
Zobacz też