Кіріспе

Жарықтың сіңірілу немесе шығарылу ықтималдығын сипаттайтын шамалар Атомдық, молекулалық және оптикалық физикада Эйнштейн коэффициенттері - атом немесе молекуланың фотондарды сіңіру немесе шығару ықтималдығын сипаттайтын шамалар. Эйнштейн А коэффициенттері жарықтың өздігінен сәуле шығару жылдамдығына, ал Эйнштейн В коэффициенттері сәуледің сіңірілуі мен ынталандырылған сәуле шығаруына байланысты. Бұл мақалада "жарық" деген сөз электромагниттік сәулеленудің кез келген түрін білдіреді, бірақ міндетті түрде көрінетін спектрде емес. Бұл коэффициенттер 1916 жылы ұсынған Альберт Эйнштейннің есімімен аталған.

Спектрлік сызықтар

Физикада спектрлік сызықты екі көзқарас бойынша қарастыруға болады. Эмиссиялық сызық атом немесе молекула атомның белгілі бір дискретті энергия деңгейінен E2 төменгі энергия деңгейіне ауысқанда пайда болады, ол белгілі бір энергия мен толқын ұзындығы фотонын шығарады. Көптеген осындай фотондардың спектрі осы фотондармен байланысты толқын ұзындығында эмиссиялық шыңын көрсетеді. Атом немесе молекула төменгі, E1, жоғары дискретті энергия күйіне, E2 ауысқанда, процесте фотоны сіңіретін сіңіру сызығы пайда болады. Бұл сіңірілген фотондар әдетте фондық континуум сәулеленуінен (электромагниттік сәулеленудің толық спектрі) келеді және спектр сіңірілген фотондармен байланысты толқын ұзындығында континуум сәулеленуінің төмендеуін көрсетеді. Екі күйі электронның атомға немесе молекулаға байланған байланған күйі болуы керек, сондықтан ауысу кейде "байланған" ауысу деп аталады, ал электронды атомнан толығымен шығарып тастаған ("байланған" ауысу) үзіліссіз күйге, иондалған атомды қалдырып, үзіліссіз сәулеленуді тудырады. Энергия деңгейлері арасындағы айырмашылыққа тең энергиясы бар фотон E2 - E1 процесте босатылады немесе сіңіріледі. Спектрлік сызық пайда болатын ν жиілігі фотондардың энергиясына Бордың жиілік шартымен байланысты, мұнда h Планк тұрақтысын білдіреді.

Эмиссия және сіңіру коэффициенттері

Атомдық спектрлік сызық - газдағы сәуле шығару және сіңіру оқиғаларын білдіреді, онда сызықтың жоғарғы энергиялық күйіндегі атомдардың тығыздығы және сызықтың төменгі энергиялық күйіндегі атомдардың тығыздығы. ν жиілігінде атомдық желілік сәулеленудің эмиссиясы энергия/ (уақыт × көлем × қатты бұрыш) бірліктерімен эмиссия коэффициентімен сипатталуы мүмкін. ε dt dV dΩ - бұл көлем элементінің қатты бұрышта уақыт бойынша шығаратын энергиясы. Атомдық желілік сәулелену үшін, екі тиісті энергия деңгейі үшін тиісті атомның ішкі қасиеттерімен белгіленген, өздігінен шығатын Эйнштейн коэффициенті. Атомдық желілік сәулеленудің сіңіруін 1/ұзындығы бірліктерімен сіңіру коэффициентімен сипаттауға болады. К' dx өрнегі dx арақашықтықта ν жиілігінде жарық сәулесі сіңірілген интенсивтілік бөлігін береді. Абсорбция коэффициенті фотондар сіңіруі мен индуцирленген эмиссиясы үшін Эйнштейн коэффициенттері қай жерде және қай жерде берілген. Коэффициент сияқты, олар да екі тиісті энергия деңгейі үшін тиісті атомның ішкі қасиеттерімен бекітіледі. Термодинамика үшін және Кирхгофф заңының қолданылуы үшін жалпы сіңіруді оң және теріс сіңіру деп қарастыруға болатын екі компоненттің алгебралық қосындысы ретінде көрсету қажет, олар тиісінше фотондардың тікелей сіңірілуі және әдеттегідей стимуляцияланған немесе индуцированная эмиссия деп аталады. Жоғарыда келтірілген теңдеулер спектроскопиялық сызық пішінінің әсерін ескермеген. Дұрыс болу үшін жоғарыда келтірілген теңдеулерді (нормалдастырылған) спектрлік сызық пішініне көбейту керек, бұл жағдайда бірліктер 1 / Гц терминін қосу үшін өзгереді. Термодинамикалық тепе-теңдік жағдайында сандық тығыздықтар және , Эйнштейн коэффициенттері және спектрлік энергия тығыздығы сіңіру және эмиссия мөлшерлерін анықтау үшін жеткілікті ақпарат береді.

Тепе-теңдік шарттары

Сандық тығыздықтар және спектрлік сызық пайда болатын газдың физикалық жағдайымен, жергілікті спектрлік сәулеленуді (немесе кейбір презентацияларда жергілікті спектрлік сәулелену энергиясының тығыздығы) қоса алғанда белгіленеді. Бұл күй қатаң термодинамикалық тепе-теңдіктің бірі немесе "жергілікті термодинамикалық тепе-теңдіктің" бірі болғанда, онда атомдық қоздырғыштардың бөлінуі (оның ішінде және) атомдық эмиссиялар мен сіңірулер жылдамдығын анықтайды. Кирхоффтың радиациялық сіңірушілік пен эмиссивтік теңдік заңының орындалуы. Термодинамикалық тепе-теңдікте сәулелену өрісі қара дене сәулеленуі деп аталады және Планк заңымен сипатталады. Жергілікті термодинамикалық тепе-теңдік үшін сәулелену өрісі қара дене өрісі болуы шарт емес, бірақ атомдар арасындағы соқтығысулар жылдамдығы жарық кванттарының сіңіру және шығару жылдамдығынан әлдеқайда көп болуы керек, сондықтан атомдар арасындағы соқтығысулар атомдық қоздырғыштың күйлерінің таралуына толығымен ие болады. Жергілікті термодинамикалық тепе-теңдіктің басымдыққа ие болмайтын жағдайлары пайда болады, өйткені күшті радиациялық әсерлер молекулалық жылдамдықтардың Максвелл-Больцман таралуына деген бейімділікті басып тастайды. Мысалы, Күннің атмосферасында радиацияның үлкен күші басым. Жердің жоғарғы атмосферасында 100 км-ден аса биіктікте молекулааралық соққылардың сирек болуы шешуші фактор болып табылады. Термодинамикалық тепе-теңдік пен жергілікті термодинамикалық тепе-теңдік жағдайында атомдардың саны тығыздықтары, қозылған және қозылған емес, Максвелл-Болцманның таралуынан есептелуі мүмкін, бірақ басқа жағдайларда (мысалы, лазерлер) есептеу күрделірек.

Эйнштейн коэффициенттері

1916 жылы Альберт Эйнштейн атомдық спектрлік сызықтың пайда болуында үш процесс бар екенін ұсынды. Үш процесс өздігінен шығатын, ынталандырылатын шығатын және сіңіретін деп аталады. Әрқайсысына Эйнштейн коэффициенті байланысты, ол осы процестің орын алу ықтималдығының өлшемі. Эйнштейн ν жиілігі мен ρ ((ν) спектрлік энергия тығыздығы бар изотроптық сәулелену жағдайын қарастырды. Пауль Дирак коэффициенттерді 1927 жылы "Радиоция эмиссиясы мен сіңіруінің кванттық теориясы" атты еңбегінде шығарды.

Түрлі пішіндер

Хилборн әр түрлі авторлардың Эйнштейн коэффициенттерін алудың әртүрлі формулаларын салыстырды. Мысалы, Герцберг сәулелену және толқын санымен жұмыс істейді; Ярив жиілік интервалы бойынша бірлік көлемге энергиямен жұмыс істейді, бұл жақындағы (2008) формуладағыдай. Михалас және Вейбель Михалас сәуле мен жиілікпен жұмыс істейді; сондай-ақ Гуди және Юнг; Лудон бұрыштық жиілік пен сәуле қолдануда.

Эмоционалды эмиссия

Эмоционалды эмиссия (индуциралы эмиссия деп те аталады) - электронды жоғары энергия деңгейінен төменгі энергия деңгейіне электромагниттік сәулеленудің болуымен (немесе жақын) ауысу жиілігінде секіруге мәжбүрлейтін процесс. Термодинамикалық тұрғыдан бұл процесті теріс сіңіру деп қарастыру керек. Процесс Эйнштейн коэффициентімен сипатталады (m3 J-1 s-2), бұл энергиясы бар 2-ші күйдегі электронның энергиясы бар 1-ші күйге ыдырауының бірлік жиілігі бар сәулелену өрісінің бірлік энергиясы бар бірлік энергиясы бар жиілігі бар бірлік жиілігі бойынша бірлік уақытқа ықтималдықты береді. Индуцированный эмиссиядан болғандықтан 1 бірлік уақытқа 1 күйдегі атомдардың сандық тығыздығының өзгеруі болады, бұл көшу жиілігінде изотроптық сәулелену өрісінің спектрлік энергия тығыздығын білдіреді (Планк заңы). Эмоционалды сәуле шығару лазердің дамуына әкелген негізгі процестердің бірі болып табылады. Алайда лазерлік сәулелену қазіргі изотроптық сәулеленуден өте алыс.

Фотондарды сіңіру

Абсорбция - фотондардың атом арқылы сіңірілуі, электрондардың төменгі энергия деңгейінен жоғары деңгейге көтерілуіне себепші болады. Процесс Эйнштейн коэффициентімен сипатталады (m3 J-1 s-2), бұл энергиясы бар 1 күйдегі электрон энергиясы бар фотонды сіңіріп, энергиясы бар 2 күйге көтерілу ықтималдығын береді. Соның нәтижесінде 1 күйдегі атомдардың санының тығыздығының уақыт бірлігіне шаққандағы өзгеруі