Введение

Величины, описывающие вероятность поглощения или излучения света В атомной, молекулярной и оптической физике коэффициенты Эйнштейна - это величины, описывающие вероятность поглощения или излучения фотона атомом или молекулой. Коэффициенты Эйнштейна А связаны со скоростью спонтанного излучения света, а коэффициенты Эйнштейна В связаны с поглощением и стимулированным излучением света. В этой статье под "светлом" подразумевается любое электромагнитное излучение, но не обязательно видимый спектр. Эти коэффициенты названы в честь Альберта Эйнштейна, который предложил их в 1916 году.

Спектровые линии

В физике мысли о спектральной линии могут быть с двух точек зрения. Линия излучения образуется, когда атом или молекула переходит от определенного дискретного энергетического уровня E2 атома к более низкому энергетическому уровню E1, излучая фотон определенной энергии и длины волны. Спектр многих таких фотонов покажет всплеск излучения на длине волны, связанной с этими фотонами. Линия поглощения образуется, когда атом или молекула переходит из более низкого, E1, в более высокое дискретное энергетическое состояние, E2, при этом в процессе поглощается фотон. Эти поглощенные фотоны, как правило, поступают из фонового континуума излучения (полный спектр электромагнитного излучения), и спектр покажет падение континуума излучения на длине волны, связанной с поглощенными фотонами. Два состояния должны быть связанными состояниями, в которых электрон связан с атомом или молекулой, поэтому переход иногда называют "связанным" переходом, в отличие от перехода, в котором электрон полностью выводится из атома ("связанный" переход) в состояние континуума, оставляя ионизированный атом и генерируя континуумовое излучение. В процессе фотоны с энергией, равной разнице E2 - E1 между энергетическими уровнями, высвобождаются или поглощаются. Частота ν, при которой появляется спектральная линия, связана с энергией фотона частотным условием Бора, где h обозначает постоянную Планка.

Коэффициенты эмиссии и поглощения

Атомная спектральная линия относится к событиям излучения и поглощения в газе, в котором плотность атомов в верхнем энергетическом состоянии для линии, и плотность атомов в нижнем энергетическом состоянии для линии. Излучение атомной линейной радиации на частоте ν может быть описано коэффициентом излучения с единицами энергии/{} времени × объема × твердого угла). ε dt dV dΩ - это энергия, излучаемая объемным элементом во времени в твердый угол Для атомного линейного излучения, где коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения, который фиксируется внутренними свойствами соответствующего атома для двух соответствующих уровней энергии. Поглощение атомного линейного излучения может быть описано коэффициентом поглощения с единицами 1/длина. Выражение κ' dx дает долю интенсивности, поглощаемой для светового луча при частоте ν при расстоянии dx. Коэффициент поглощения дается где и где являются коэффициентами Эйнштейна для поглощения фотонов и индуцированного излучения соответственно. Как и коэффициент, они также определяются внутренними свойствами соответствующего атома для двух соответствующих уровней энергии. Для термодинамики и для применения закона Кирхгоффа необходимо, чтобы общая поглощение была выражена как алгебраическая сумма двух компонентов, описанных соответственно и , которые можно рассматривать как положительное и отрицательное поглощение, которые, соответственно, являются прямым поглощением фотонов и то, что обычно называют стимулированным или индуцированным излучением. Вышеуказанные уравнения игнорируют влияние спектральной линии. Чтобы быть точными, вышеуказанные уравнения необходимо умножить на (нормализованную) форму спектральной линии, в этом случае единицы изменятся, чтобы включить термин 1/Гц. В условиях термодинамического равновесия числовые плотности и , коэффициенты Эйнштейна и спектральная плотность энергии обеспечивают достаточную информацию для определения скорости поглощения и излучения.

Условия равновесия

Плотность числа и определяется физическим состоянием газа, в котором появляется спектральная линия, включая местное спектральное излучение (или, в некоторых вариантах, местную спектральную плотность энергии излучения). Когда это состояние является либо одним из строгих термодинамических равновесий, либо одним из так называемых "локальных термодинамических равновесий", то распределение атомных состояний возбуждения (которое включает и) определяет скорости атомных выбросов и поглощений таким образом, что закон Кирхгоффа о равенстве радиационной поглощаемости и эмиссивности имеет место. В строгом термодинамическом равновесии радиационное поле называется излучением черного тела и описывается законом Планка. Для локального термодинамического равновесия радиационное поле не обязательно должно быть полем черного тела, но скорость межатомных столкновений должна значительно превышать скорости поглощения и излучения квантов света, так что межатомные столкновения полностью доминируют в распределении состояний атомного возбуждения. Возникают обстоятельства, при которых не преобладает локальное термодинамическое равновесие, потому что сильные радиационные эффекты подавляют тенденцию к распределению молекулярных скоростей Максвелла Болцмана. Например, в атмосфере Солнца доминирует большая сила излучения. В верхних слоях атмосферы Земли, на высотах более 100 км, редкость межмолекулярных столкновений является решающей. В случаях термодинамического равновесия и локального термодинамического равновесия, числовая плотность атомов, как возбужденных, так и невозбужденных, может быть рассчитана из распределения Максвелла Болцмана, но в других случаях (например, лазеров) расчет более сложен.

Коэффициенты Эйнштейна

В 1916 году Альберт Эйнштейн предложил, что в процессе образования атомной спектральной линии происходит три процесса. Эти три процесса называются спонтанной эмиссией, стимулированной эмиссией и поглощением. С каждым из них связан коэффициент Эйнштейна, который является мерой вероятности того, что произойдет этот конкретный процесс. Эйнштейн рассмотрел случай изотропного излучения частоты ν и спектральной плотности энергии ρ ((ν). Пол Дирак вывел коэффициенты в статье 1927 года под названием "Квантовая теория излучения и поглощения излучения".

Различные формулы

Хилборн сравнил различные формулировки для выводов коэффициентов Эйнштейна, различными авторами. Например, Герцберг работает с излучением и волновым числом; Ярив работает с энергией на единицу объема на единицу частотного интервала, как в более поздней (2008) формулировке. Mihalas & Weibel Mihalas работают с излучением и частотой; также Goody & Yung; Loudon использует угловую частоту и излучение.

Стимулированная эмиссия

Стимулированное излучение (также известное как индуцированное излучение) - это процесс, при котором электрон индуцируется прыгать с более высокого энергетического уровня на более низкий благодаря наличию электромагнитного излучения на частоте перехода. С термодинамической точки зрения этот процесс следует рассматривать как отрицательное поглощение. Процесс описывается коэффициентом Эйнштейна (m3 J-1 s-2), который дает вероятность за единицу времени за единицу плотности энергии поля излучения за единицу частоты, что электрон в состоянии 2 с энергией будет распадаться до состояния 1 с энергией, излучая фотон с энергией. Изменение плотности числа атомов в состоянии 1 за единицу времени из-за индуцированного излучения будет где обозначает спектральную плотность энергии изотропного поля излучения при частоте перехода (см. Закон Планка). Стимулированное излучение является одним из основных процессов, которые привели к разработке лазера. Однако лазерное излучение очень далеко от современного изотопного излучения.

Поглощение фотонов

Поглощение - это процесс, при котором атом поглощает фотон, в результате чего электрон переходит из более низкого энергетического уровня в более высокий. Процесс описывается коэффициентом Эйнштейна (m3 J-1 s-2), который дает вероятность на единицу времени на единицу плотности энергии поля излучения на единицу частоты, что электрон в состоянии 1 с энергией поглотит фотон с энергией и перейдет в состояние 2 с энергией. Изменение плотности числа атомов в состоянии 1 на единицу времени из-за поглощения будет