Emisja spontaniczna

A – atom w stanie wzbudzonym (elektron na poziomie o energii E2)
B – emisja fotonu (hν)
C – atom w niskim stanie energii (elektron na poziomie E1<E2)

Emisja spontaniczna – emisja fotonów przez atom, cząsteczkę, ciecz, ciało stałe, plazmę, znajdujące się w indywidualnym stanie wzbudzonym lub kolektywnym stanie wzbudzonym (np. kondensat Bosego-Einsteina), zachodząca w sposób samorzutny, której towarzyszy przejście atomu / cząsteczki / cieczy / ciała stałego do niższego poziomu energetycznego; wiąże się z przejściami elektronów do niższych stanów orbitalnych w atomach / cząsteczkach, zmianą stanów spinowych elektronów w atomach / cząsteczkach / ciałach stałych czy też dotyczy przejść cząsteczek do niższych stanów rotacyjnych lub oscylacyjnych.

Zjawisko to odpowiada np. za świecenie rozgrzanych gazów, cieczy i ciał stałych, plazmy (gwiazdy, zorza polarna), świecenie urządzeń technicznych (żarówki, świetlówki, diody LED, itd).

Fragment widma przejść rotacyjnych trifluorojodometanu CF3I

Liczba przejść spontanicznych d N e {\displaystyle dN_{e}} ze stanu wzbudzonego do niższego stanu energetycznego w krótkim przedziale czasu d t {\displaystyle dt} zależy proporcjonalnie od aktualnej liczby N ( t ) {\displaystyle N(t)} cząstek w stanie wzbudzonym, tj.

d N e ∝ N d t , {\displaystyle dN_{e}\propto Ndt,}

przy czym współczynnik proporcjonalności jest stałą liczbą, specyficzną dla danego przejścia w atomie / cząsteczce i nosi nazwę współczynnika emisji (stała wprowadzona przez Einsteina). Różnica d N = N ( t + d t ) − N ( t ) {\displaystyle dN=N(t+dt)-N(t)} między liczbą liczba atomów / cząsteczek na końcu czasu d t {\displaystyle dt} i na jego początku jest liczbą ujemną ( d N = − d N e {\displaystyle dN=-dN_{e}} ), stąd prawo emisji spontanicznej ma postać:

Wzbudzenia orbitali 3d miedzi na płaszczyźnie CuO2 nadprzewodnika wysokotemperaturowego. Stan podstawowy (niebieski) to orbitale x2–y2; orbitale wzbudzone są w kolorze zielonym; strzałki ilustrują nieelastyczne rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego, powodujące przejścia do stanów wzbudzonych
d N = − A 2 → 1 N d t , {\displaystyle dN=-A_{2\to 1}Ndt,}

gdzie:

A 2 → 1 {\displaystyle A_{2\to 1}} - współczynniki emisji przy przejściu z poziomu wzbudzonego 2 do poziomu 1.

Prawo zaniku stanów wzbudzonych w emisji spontanicznej

Jeśli w układzie wielu atomów / cząsteczek w stanie wzbudzonym nie następują nowe wzbudzenia, to liczba atomów / cząsteczek pozostających w stanie wzbudzenia maleje z czasem wg wzoru:

N ( t ) = N 0 e − A 2 → 1 t , {\displaystyle N(t)=N_{0}e^{-A_{2\to 1}t},}

gdzie:

N 0 {\displaystyle N_{0}} - początkowa liczba wzbudzonych atomów, w chwili t = 0. {\displaystyle t=0.}

Współczynniki emisji jest związany z średnim czasem życia τ {\displaystyle \tau } poziomu wzbudzonego i czasem połowicznego rozpadu T 1 / 2 {\displaystyle T_{1/2}} poziomu wzbudzonego związkami:

A 2 → 1 = 1 τ = ln ⁡ 2 T 1 / 2 . {\displaystyle A_{2\to 1}={\frac {1}{\tau }}={\frac {\ln 2}{T_{1/2}}}.}

przy czym przez czas połowicznego rozpadu rozumie się tu czas, po którym zostanie połowa atomów / cząsteczek w stanie wzbudzonym z początkowej liczby N 0 . {\displaystyle N_{0}.}

Zjawisko zaniku stanów wzbudzonych opisane jest równaniem takim samym np. jak zjawisko rozpadu promieniotwórczego jąder atomowych, przy czym pojęcia czasu życia jąder atomowych i czasu połowicznego rozpadu jader ściśle odpowiadają pojęciom czasu życia poziomów wzbudzonych i czasu połowicznego zaniku stanów wzbudzonych.

Inne sposoby emisji promieniowania

Zobacz też

  • laser
  • widmo promieniowania

Bibliografia

  • David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker Podstawy fizyki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013.
  • Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Frank Laloe, Quantum Mechanics 1, Wiley J., 2006, ISBN 978-0471569527.
  • Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Frank Laloe, Quantum Mechanics 2, Wiley J., 2006, ISBN 978-0471569527.
Kontrola autorytatywna (change of state):
  • GND: 4323946-8