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.