Inverze populace: 7 důležitých faktorů s tím souvisejících

by

Obsah : Inverze populace

Co je inverze populace?

Populační inverze se týká stavu, kdy množství atomů nebo subatomárních částic, které sídlí ve vyšší úrovni excitované energie, je větší než počet atomů nebo subatomárních částic, které se nacházejí ve nižší úrovni excitované energie nebo na úrovni země. Tento stát se nazývá populace inverze protože, za normálních podmínek je populace ve stavech s nižší energií vyšší než stavy vzrušení. Koncept inverze populace je hlavním principem při výrobě laserů a maserů.

inverze populace
Diagram energetické úrovně inverze populace.
Zdroj obrázku: Bob Mellish CC BY-SA 3.0 Soubor: Population-inversion-3level.png

Co je absorpce?

Planck to uvedl

"Energie elektromagnetického záření je omezena na nedělitelné balíčky energie zvané kvanta, každá z těchto kvant nebo balíků má energii stejnou jako produkt Planckovy konstanty a frekvencen záření. “

Elektrony ve stavech s nižší energií absorbují vnější energii ve formě tepla (fonony) nebo světla (fotony) pro dosažení stavu s vyšší energií, což se může stát, jen když je rozdíl energie mezi horním a dolním stavem stejný. V případě fotonů se to překládá, protože částice mohou absorbovat specifickou vlnovou délku světla pouze pro přechod. Tento koncept světelné energie z hlediska kvantity navrhl Max Planck.

6

h je Planckova konstanta.
v frekvence.
c je rychlost světla.
λ je vlnová délka.

Co je stimulovaná emise?

Foton emitovaný při přechodu elektronu ze stavu vyšší energie do stavu nižší energie poté, co dojde k absorpci fotonu, odpovídá původním fotonům, pokud jde o fázi, směr a vlnovou délku, což je známé jako stimulovaná emise, a je hlavním jevem, který stojí za fungováním laserů. Lasery mají ziskové médium, kterým je materiál (pevná látka, kapalina nebo plyn), který získává energii z vnějšího zdroje a poskytuje ji atomům, aby je probudil do vyšších stavů. Médium optického zisku je analyzováno z hlediska tvaru, velikosti, koncentrace a čistoty.

Co je to spontánní emise?

Elektron obklopující jádro není schopen navždy zůstat ve vyšším excitovaném stavu a tyto elektrony ztrácejí energii nebo se rozpadají, aby spadly zpět do stavu s nižší energií. Tento přechod elektronu z vysoké na nízkou úroveň probíhá v samostatném časovém intervalu a energie je emitována ve formě fotonu a procesu elektronového přechodu bez použití vnější energie. Elektrony emitované tímto procesem mají náhodnou fázi a směr. Tento typ emise není schopen produkovat koherentní světelný výstup s vysokou intenzitou.

Jaký je vztah mezi stimulovanou emisí a inverzí populace?

Lasery mají médium optického zisku ve formě materiálu (pevné, kapalné nebo plynné), který zesiluje emitovaný fotonový paprsek. Médium optického zisku je analyzováno z hlediska tvaru, velikosti, koncentrace a čistoty. Populační inverze nastane, pokud počet částic v úrovni excitované energie vzrostl více než počet částic v nižší energetické úrovni po stimulovaném emisním procesu a v případě laserů rychlost stimulované emise překročí rychlost absorpce elektronem a takto se zesiluje emitované světlo nebo fotonový paprsek. Proces zesílení amplitudy ve fotonovém paprsku se nazývá optické zesílení.

1920px Stimulovaná emise.svg
Schéma stimulované emise energie.
Zdroj obrázku: http://V1adis1av contribs) (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stimulated Emission.svg), https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode (laserová fyzika)

Proč je pro lasování nutná inverze populace?

K lasování dochází, když velké množství atomů nebo subatomárních částic, tj. Elektronů (materiál - pevná látka, kapalina nebo plyn) současně uvolňuje energii ve formě fotonů při přechodu z vyššího excitovaného stavu do nižšího základního stavu procesem stimulace emise. Aby k této akci mohlo dojít, musí být atomy nebo subatomové částice nejprve excitovány do stavu vyšší energie, aby mohla následovat stimulovaná emise. Tohoto stavu je dosaženo inverzí populace. V případě laserů rychlost stimulované emise překračuje rychlost absorpce elektrony. Takto se zesiluje emitované světlo nebo fotonový paprsek. Bez inverze populace nemůže dojít k lasování.

Co je Boltzmannova distribuce?

Pokud existuje N počet atomů a dva energetické stavy (základní stav E1 a excitovaný stav E2). Pak N může být dáno

N1 + n2 = n (N1 je počet atomů v základním stavu E1 a N2 je počet atomů v excitovaném stavu E2)

Rozdíl energie mezi dvěma excitovanými stavy je dán vztahem

ΔE = E2 - E1 = hv12 (v12 je frekvence vlny emitované během přechodu z E2 na E1 & h je Planckova konstanta)

Podle Maxwell-Boltzmannovy statistiky jsou během skupiny atomy v tepelném stavu rovnováha, pak poměr ne. atomů v každém stavu je vyjádřeno následující rovnicí.

7
 Zde, T je termodynamická teplota skupiny atomů.
 k je Boltzmannova konstanta.

Populační inverze nastane, pokud počet atomů v excitovaném stavu N2 je vyšší než počet atomů v základním stavu, tj. N1. Z rovnice můžeme říci, že poměr N2 / N1 je větší než 1 pouze tehdy, když je termodynamická teplota T záporná, protože E2 - E1 bude vždy kladná.

Jiné způsoby vytváření inverze populace

Koherentní mikrovlnná elektromagnetická emise je produkována procesem amplifikace prostřednictvím stimulované emise v přístroji známém jako MASER “Mikrovlnné zesílení stimulovanou emisí záření„A To se získá odstraněním konkrétního typu atomů ze systému na základě určitých rozdílů vlastností.

Chcete-li vědět více o laserech naleznete zde.

Čtěte více: Vyrovnané síly způsobují změnu v pohybu: vyčerpávající postřehy.

Také čtení: