स्वत: उत्सर्जन।

किसी माध्यम में ऊर्जा के साथ दो ऊर्जा स्तरों 1 और 2 पर विचार करें और (< ).Предположим, что атом или молекула вещества находится первоначально в состоянии соответствующая уровню 2 .Поскольку < атом будет стремится перейти на уровень 1.Следовательно, из атома должна соответствующая разность энергий - .Когда эта энергия высвобождается в виде электромагнитной волны, процесс называется спонтанным излучением. При этом частота излучаемой волны опред-ся формулой (полученной Планком):

उस। स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन ऊर्जा के साथ एक फोटॉन के उत्सर्जन की विशेषता है - जब एक परमाणु स्तर 2 से 1 तक जाता है। (चित्र।)

सहज उत्सर्जन की संभावना निम्नानुसार निर्धारित की जा सकती है। मान लेते हैं कि समय t के स्तर 2 पर इकाई आयतन में परमाणु होते हैं। संक्रमण दर (/dt)स्पोंट। निम्नतम स्तर पर स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन के परिणामस्वरूप ये परमाणु स्पष्ट रूप से . के समानुपाती होते हैं। इसलिए, हम लिख सकते हैं:

(/ डीटी) स्पॉट। =ए(2)

कारक ए सहज उत्सर्जन की संभावना का प्रतिनिधित्व करता है और इसे गुणांक कहा जाता है। आइंस्टीन ए। मान \u003d 1 \ ए को सहज जीवनकाल कहा जाता है। A () का संख्यात्मक मान विकिरण में शामिल विशिष्ट संक्रमण पर निर्भर करता है।

मजबूर उत्सर्जन।

मान लीजिए कि परमाणु नाह। अभिव्यक्ति द्वारा परिभाषित आवृत्ति के साथ एक विद्युत चुम्बकीय तरंग (1) - \h (यानी, एक स्वचालित रूप से उत्सर्जित तरंग की आवृत्ति के बराबर आवृत्ति के साथ) स्तर 2 और एक पदार्थ पर गिरती है। चूंकि घटना तरंग और विकिरण की आवृत्तियों से जुड़े एक परमाणु संक्रमण के साथ एक दूसरे के बराबर हैं, एक सीमित संभावना है कि घटना लहर 2 → 1 से संक्रमण का कारण बनेगी। इस मामले में, ऊर्जा अंतर - एक विद्युत तरंग के रूप में जारी किया जाएगा, जो होगा घटना एक में जोड़ा गया यह एक मजबूर संक्रमण की घटना है।

स्वतःस्फूर्त और उत्तेजित उत्सर्जन की प्रक्रियाओं में महत्वपूर्ण अंतर है। स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन के मामले में, एक परमाणु एक विद्युत चुम्बकीय तरंग का उत्सर्जन करता है, जिसके चरण का दूसरे परमाणु द्वारा उत्सर्जित तरंग के चरण के साथ कोई निश्चित संबंध नहीं होता है। इसके अलावा, उत्सर्जित तरंग में प्रसार की कोई भी दिशा हो सकती है। उत्तेजित उत्सर्जन के मामले में, चूंकि प्रक्रिया इनपुट तरंग द्वारा शुरू की जाती है, उसी चरण में किसी भी परमाणु का विकिरण इस तरंग में जोड़ा जाता है। आपतित तरंग उत्सर्जित तरंग के प्रसार की दिशा भी निर्धारित करती है। उत्तेजित उत्सर्जन की प्रक्रिया को समीकरण का उपयोग करके वर्णित किया जा सकता है:

(/ डीटी) जारी। = (3)

जहां (/dt)vyv.- उत्तेजित विकिरण के कारण संक्रमण की गति 2 → 1, और। अभिव्यक्ति (2) द्वारा निर्धारित कोए-टी ए की तरह, इसका आयाम (समय) ^ -1 भी है। हालांकि, ए के विपरीत, यह न केवल एक विशेष संक्रमण पर निर्भर करता है, बल्कि घटना विद्युत चुम्बकीय तरंग की तीव्रता पर भी निर्भर करता है। अधिक सटीक रूप से, एक समतल तरंग के लिए, कोई लिख सकता है:

जहां एफ घटना तरंग में फोटॉन फ्लक्स का घनत्व है, एक ऐसा मान है जिसमें क्षेत्र का आयाम (उत्तेजित उत्सर्जन का क्रॉस सेक्शन) होता है और दिए गए संक्रमण की विशेषताओं पर निर्भर करता है।

4. अवशोषण।अवशोषण गुणांक।

मान लीजिए कि परमाणु शुरू में स्तर 1 पर है। यदि यह मुख्य स्तर है, तो परमाणु उस पर तब तक रहेगा जब तक कि वह किसी बाहरी गड़बड़ी से प्रभावित न हो। मान लीजिए कि एक विद्युत चुम्बकीय तरंग पदार्थ से टकराती है जिसकी आवृत्ति व्यंजक द्वारा निर्धारित होती है : 2 - इ 1 )/ एच.

इस मामले में, एक सीमित संभावना है कि परमाणु ऊपरी स्तर 2 पर जाएगा। ऊर्जा अंतर इ 2 - इ 1 परमाणु को संक्रमण करने के लिए आवश्यक, घटना विद्युत चुम्बकीय तरंग की ऊर्जा से लिया जाता है। यह अवशोषण प्रक्रिया है। सादृश्य द्वारा (डीएन 2 / डीटी ) बाहर निकलना = - वू 21 एन 2 अधिग्रहण की संभावना वू 12 समीकरण द्वारा निर्धारित किया जाता है: डीएन 1 / डीटी = - वू 12 एन 1 , कहाँ पे एन 1 मात्रा की प्रति इकाई परमाणुओं की संख्या है जो वर्तमान में स्तर 1 पर हैं। इसके अलावा, जैसा कि व्यंजक में है वू 21 = 21 एफ , तुम लिख सकते हो: वू 12 = 12 एफ . यहां 12 कुछ क्षेत्र (अवशोषण क्रॉस सेक्शन), जो केवल एक विशेष संक्रमण पर निर्भर करता है। आइए अब मान लें कि प्रत्येक परमाणु को एक प्रभावी फोटॉन अवशोषण क्रॉस सेक्शन सौंपा जा सकता है एक इस अर्थ में कि यदि कोई फोटॉन इस क्रॉस सेक्शन में प्रवेश करता है, तो वह परमाणु द्वारा अवशोषित हो जाएगा। यदि किसी माध्यम में किसी विद्युत चुम्बकीय तरंग का अनुप्रस्थ काट क्षेत्र किसके द्वारा निरूपित किया जाता है एस , तो मोटाई की परत में तरंग द्वारा प्रकाशित माध्यम के परमाणुओं की संख्या dz बराबरी एन 1 एसडीज़ू और फिर कुल अवशोषण क्रॉस सेक्शन बराबर होगा एक एन 1 एसडीज़ू . अत: फोटॉनों की संख्या में आपेक्षिक परिवर्तन ( डीएफ / एफ ) मोटाई की एक परत में dz पर्यावरण है: डीएफ / एफ = - एक एन 1 एसडीज़ू / एस . यह स्पष्ट है कि = एक , इसलिए मात्रा को प्रभावी अवशोषण क्रॉस सेक्शन का अर्थ दिया जा सकता है। अभिव्यक्ति का उपयोग करके गुणांक को परिभाषित करके पदार्थ के साथ विकिरण की बातचीत को अलग तरह से वर्णित किया जा सकता है: = ( एन 1 – एन 2 ). यदि एक एन 1 > एन 2 , तो मान को अवशोषण गुणांक कहा जाता है। अवशोषण गुणांक के रूप में पाया जा सकता है: (2 2 /3 एन 0 सी 0 एच )( एन 1 – एन 2 ) 2 जी टी ( ) . चूंकि यह दो स्तरों की आबादी पर निर्भर करता है, यह उन मामलों में बातचीत का वर्णन करने के लिए सबसे उपयुक्त पैरामीटर नहीं है जहां स्तर की आबादी में परिवर्तन होता है, जैसे कि लेजर में, उदाहरण के लिए। हालांकि, इस पैरामीटर का लाभ यह है कि इसे सीधे मापा जा सकता है। सचमुच, डीएफ = - fdz . इसलिए, माध्यम से गहराई तक गुजरने वाले फोटॉन फ्लक्स के घनत्व का अनुपात मैं , घटना के घनत्व के लिए फोटॉन फ्लक्स के बराबर है एफ ( मैं )/ एफ (0)= ऍक्स्प (- मैं ) . पर्याप्त रूप से मोनोक्रोमैटिक विकिरण का उपयोग करके इस अनुपात के प्रायोगिक मापन घटना प्रकाश की उस विशेष तरंग दैर्ध्य के लिए एक मूल्य देते हैं। संबंधित संक्रमण क्रॉस सेक्शन अभिव्यक्ति से प्राप्त होता है = ( एन 1 – एन 2 ) , यदि गैर-बस्तियां ज्ञात हैं एन 1 तथा एन 2 . अवशोषण गुणांक को मापने के लिए उपकरण को अवशोषण स्पेक्ट्रोफोटोमीटर कहा जाता है।

Bouguer - लैम्बर्ट - बीयर कानून- एक भौतिक नियम जो प्रकाश के समानांतर मोनोक्रोमैटिक बीम के क्षीणन को निर्धारित करता है जब यह एक अवशोषित माध्यम में फैलता है।

कानून निम्नलिखित सूत्र द्वारा व्यक्त किया जाता है:

जहां I0 आने वाली बीम की तीव्रता है, l सामग्री परत की मोटाई है जिसके माध्यम से प्रकाश गुजरता है, kλ अवशोषण गुणांक है (आयाम रहित अवशोषण सूचकांक κ के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए, जो सूत्र kλ द्वारा kλ से संबंधित है। = 4πκ / , जहां तरंग दैर्ध्य है)।

अवशोषण सूचकांक किसी पदार्थ के गुणों को दर्शाता है और अवशोषित प्रकाश की तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करता है। इस निर्भरता को पदार्थ का अवशोषण स्पेक्ट्रम कहा जाता है।

एक उत्तेजित तंत्र (परमाणु, अणु) का ऊपरी ऊर्जा स्तरों से निचले स्तर तक संक्रमण या तो अनायास या प्रेरित हो सकता है।

स्वतःस्फूर्त संक्रमण को स्वतःस्फूर्त (स्वतंत्र) संक्रमण कहा जाता है, जो केवल सिस्टम के भीतर काम करने वाले और उसमें निहित कारकों के कारण होता है। ये कारक उत्तेजित अवस्था में सिस्टम के औसत निवास समय का निर्धारण करते हैं; हाइजेनबर्ग संबंध के अनुसार (देखें 11),

सैद्धांतिक रूप से, इस समय के भीतर अलग-अलग मान हो सकते हैं:

यानी, यह सिस्टम के गुणों पर निर्भर करता है - उत्तेजित अवस्था की ऊर्जा के मूल्यों का प्रसार (सिस्टम की विशेषता को आमतौर पर औसत मूल्य के आधार पर उत्साहित राज्यों में बिताए गए समय के औसत मूल्य के रूप में लिया जाता है) । इसे आसपास के स्थान ("भौतिक निर्वात") की प्रणाली पर प्रभाव को भी ध्यान में रखा जाना चाहिए, जिसमें क्वांटम सिद्धांत के अनुसार, विद्युत चुम्बकीय तरंगों की अनुपस्थिति में भी मौजूद है, एक उतार-चढ़ाव वाला क्षेत्र ("वैक्यूम उतार-चढ़ाव" ); यह क्षेत्र उत्तेजित तंत्र के निचले स्तरों पर संक्रमण को प्रेरित कर सकता है और इसे उन अपरिहार्य कारकों में शामिल किया जाना चाहिए जो स्वतःस्फूर्त संक्रमण पैदा करते हैं।

प्रेरित एक ऊर्जावान रूप से निचले राज्य में एक मजबूर (उत्तेजित) संक्रमण है, जो उत्तेजित प्रणाली पर कुछ बाहरी प्रभाव के कारण होता है: थर्मल टकराव, पड़ोसी कणों के साथ बातचीत, या सिस्टम से गुजरने वाली विद्युत चुम्बकीय तरंग। हालांकि, साहित्य में एक संकीर्ण परिभाषा स्थापित की गई है: एक प्रेरित संक्रमण को केवल एक विद्युत चुम्बकीय तरंग के कारण संक्रमण कहा जाता है, इसके अलावा, उसी आवृत्ति की जो इस संक्रमण के दौरान सिस्टम द्वारा उत्सर्जित होती है (अन्य आवृत्तियों के क्षेत्र इसके साथ प्रतिध्वनित नहीं होंगे प्रणाली के प्राकृतिक दोलन,

इसलिए उनका उत्तेजक प्रभाव कमजोर होगा)। चूंकि विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का "वाहक" एक फोटॉन है, इसलिए यह इस परिभाषा से निकलता है कि प्रेरित विकिरण के साथ, एक बाहरी फोटॉन उसी आवृत्ति (ऊर्जा) के एक नए फोटॉन के जन्म को उत्तेजित करता है।

आइए हम एक सरल आदर्श उदाहरण का उपयोग करके सहज और प्रेरित संक्रमणों की सबसे महत्वपूर्ण विशेषताओं पर विचार करें। आइए मान लें कि वॉल्यूम वी में दर्पण की दीवारों के साथ समान सिस्टम (परमाणु, अणु) होते हैं, जिनमें से, प्रारंभिक निश्चित समय पर, कुछ हिस्सा ऊर्जा के साथ उत्तेजित अवस्था में स्थानांतरित हो जाता है, इस मात्रा में कुल अतिरिक्त ऊर्जा के बराबर होगा। स्वतःस्फूर्त संक्रमणों के लिए, निम्नलिखित विशेषता है:

1) उत्तेजित प्रणालियों के सामान्य अवस्थाओं में संक्रमण की प्रक्रिया (अर्थात, अतिरिक्त ऊर्जा के विकिरण को समय में बढ़ाया जाता है। कुछ सिस्टम थोड़े समय के लिए उत्तेजित अवस्था में रहते हैं; दूसरों के लिए, यह समय लंबा होता है। इसलिए, फ्लक्स ( विकिरण की शक्ति) समय के साथ बदल जाएगी, किसी क्षण में अधिकतम तक पहुंच जाएगी और फिर स्पर्शोन्मुख रूप से घटकर शून्य हो जाएगी। विकिरण प्रवाह का औसत मान बराबर होगा

2) वह समय जब एक प्रणाली का विकिरण शुरू होता है, और इस प्रणाली का स्थान विकिरण के क्षण और दूसरे के स्थान से पूरी तरह से असंबंधित होता है, अर्थात विकिरण के बीच कोई "संगति" (सहसंबंध) नहीं होता है सिस्टम या तो अंतरिक्ष में या समय में। सहज संक्रमण पूरी तरह से यादृच्छिक प्रक्रियाएं हैं, जो समय में, पर्यावरण की मात्रा और सभी संभावित दिशाओं में बिखरी हुई हैं; विभिन्न प्रणालियों से ध्रुवीकरण और विद्युत चुम्बकीय विकिरण के विमानों में एक संभावित प्रसार होता है, इसलिए उत्सर्जक स्वयं सुसंगत तरंगों के स्रोत नहीं होते हैं।

प्रेरित संक्रमणों को चिह्नित करने के लिए, मान लें कि ऊर्जा के साथ एक फोटॉन को समय के एक पल में माना मात्रा V में पेश किया जाता है। इस संभावना को अधिक सामान्य मामले में नीचे ध्यान में रखा जाएगा (जब विचाराधीन सिस्टम वॉल्यूम V में एक फोटॉन गैस के साथ बातचीत करते हैं)। हम मानेंगे कि फोटॉन अवशोषित नहीं होता है, पोत की दीवारों से बार-बार परावर्तित होता है, और उत्तेजित प्रणालियों के साथ टकराव में एक ही फोटॉन के उत्सर्जन को उत्तेजित करता है, अर्थात, प्रेरित संक्रमण का कारण बनता है। हालाँकि, इन संक्रमणों के दौरान दिखाई देने वाला प्रत्येक नया फोटॉन भी प्रेरित संक्रमणों को उत्तेजित करेगा। चूंकि फोटॉन वेग अधिक हैं और वॉल्यूम V के आयाम छोटे हैं, इसलिए प्रारंभिक समय में मौजूद सभी उत्तेजित सिस्टम को सामान्य स्थिति में जाने के लिए मजबूर होने में बहुत कम समय लगेगा। इसलिए, प्रेरित संक्रमणों की विशेषता निम्नलिखित है:

1) अतिरिक्त ऊर्जा के उत्सर्जन के लिए आवश्यक समय को नियंत्रित किया जा सकता है और बहुत छोटा किया जा सकता है, इसलिए विकिरण प्रवाह बहुत बड़ा हो सकता है;

2) इसके अलावा, संक्रमण का कारण बनने वाले फोटॉन और इस संक्रमण के दौरान दिखाई देने वाली समान ऊर्जा (आवृत्ति) के फोटॉन एक ही चरण में हैं, समान ध्रुवीकरण और गति की दिशा है। इसलिए, प्रेरित विकिरण द्वारा उत्पन्न विद्युत चुम्बकीय तरंगें सुसंगत होती हैं।

हालांकि, एक उत्तेजित प्रणाली के साथ एक फोटॉन की हर टक्कर सामान्य स्थिति में इसके संक्रमण की ओर नहीं ले जाती है, अर्थात, सिस्टम के साथ एक फोटॉन के प्रत्येक "इंटरेक्शन के कार्य" में एक प्रेरित संक्रमण की संभावना एकता के बराबर नहीं है। आइए हम इस प्रायिकता को इस प्रकार निरूपित करें मान लें कि किसी निश्चित समय में वॉल्यूम V में फोटॉन हैं और उनमें से प्रत्येक में औसतन प्रति यूनिट समय में टकराव हो सकता है। फिर प्रति इकाई समय में प्रेरित संक्रमणों की संख्या, और इसलिए वॉल्यूम V में दिखाई देने वाले फोटॉनों की संख्या बराबर होगी

आइए हम वॉल्यूम V में उत्तेजित प्रणालियों की संख्या को निरूपित करें क्योंकि उत्तेजित प्रणालियों के साथ फोटॉन के टकराव की संख्या ऐसी प्रणालियों की एकाग्रता के समानुपाती होगी, अर्थात फिर इसे इसके आधार पर व्यक्त किया जा सकता है:

जहां शिंद फोटॉनों की संख्या और उत्तेजित प्रणालियों की संख्या को छोड़कर अन्य सभी कारकों को ध्यान में रखता है

मात्रा V में फोटॉनों की संख्या में वृद्धि भी स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन के कारण होगी। एक स्वतःस्फूर्त संक्रमण की प्रायिकता एक उत्तेजित अवस्था में औसत निवास समय का व्युत्क्रम है। इसलिए, सहज संक्रमणों के कारण प्रति इकाई समय में दिखाई देने वाले फोटॉनों की संख्या के बराबर होगी

वॉल्यूम V में फोटॉनों की संख्या में कमी अनएक्सिटेड सिस्टम द्वारा उनके अवशोषण के परिणामस्वरूप होगी (इस मामले में, उत्साहित सिस्टम की संख्या में वृद्धि होगी)। चूंकि एक प्रणाली के साथ फोटॉन के प्रत्येक "बातचीत का कार्य" अवशोषण के साथ नहीं होता है, इसलिए अवशोषण प्राप्ति की संभावना पेश की जानी चाहिए।

आइए हम फोटॉन के उत्सर्जन और अवशोषण की प्रक्रियाओं की तीव्रता के बीच अंतर खोजें, यानी, उच्च स्तर से निचले स्तर तक सिस्टम के संक्रमण की प्रक्रियाएं और इसके विपरीत:

माना मात्रा में मूल्य के आधार पर, निम्नलिखित परिवर्तन हो सकते हैं;

1) यदि तब इस आयतन में फोटॉन गैस के घनत्व में धीरे-धीरे कमी आएगी, यानी विकिरण ऊर्जा का अवशोषण। इसके लिए एक आवश्यक शर्त उत्तेजित प्रणालियों की कम सांद्रता है:

2) यदि तब प्रणाली में उत्तेजित प्रणालियों की एक निश्चित विशिष्ट एकाग्रता और उज्ज्वल ऊर्जा के घनत्व पर एक संतुलन राज्य स्थापित होता है;

3) यदि (जो बड़े मूल्यों पर संभव है, तो विचाराधीन आयतन में फोटॉन गैस (उज्ज्वल ऊर्जा) के घनत्व में वृद्धि होगी।

यह स्पष्ट है कि विकिरण ऊर्जा में कमी या वृद्धि न केवल परावर्तक दीवारों के साथ एक पृथक मात्रा में होगी, बल्कि उस स्थिति में भी होगी जब मोनोक्रोमैटिक रेडिएंट एनर्जी का प्रवाह (आवृत्ति वाले फोटॉन का प्रवाह युक्त माध्यम में फैलता है) अतिरिक्त ऊर्जा वाले उत्तेजित कण

आइए हम प्रति फोटॉन और प्रति सिस्टम फोटॉनों की संख्या में सापेक्ष परिवर्तन पाएं; (2.86), (2.83), (2.84) और (2.85) का उपयोग करके, हम प्राप्त करते हैं

ध्यान दें कि संतुलन अवस्था में (जो 12 में दिए गए सूत्र (2.42) के अनुसार केवल एक सकारात्मक तापमान पर संभव है, अनुपात बराबर है

इस मामले में हर में विभाजन फ़ंक्शन में केवल दो शब्द होते हैं, जो: 1) ऊर्जा के साथ सामान्य अवस्था में सिस्टम और 2) ऊर्जा के साथ उत्साहित सिस्टम इस सूत्र से यह निम्नानुसार है कि एक असीम रूप से बड़े सकारात्मक तापमान पर इसका मतलब है कि वृद्धि करके तापमान एक ऐसी स्थिति को प्राप्त करना असंभव है जिसमें उत्तेजित प्रणालियों की संख्या अप्रत्याशित लोगों की संख्या से अधिक होगी। Mneexc से अधिक था, अर्थात, यह आवश्यक है कि संक्रमण के दौरान निचले स्तरों पर दिखाई देने वाले फोटॉनों की संख्या एक ही समय में अवशोषित फोटॉनों की संख्या से अधिक हो)। ऊपर बताया गया है कि तापमान बढ़ाकर ऐसी अवस्था प्राप्त नहीं की जा सकती है। इसलिए, इसके माध्यम से गुजरने वाले उज्ज्वल प्रवाह को बढ़ाने में सक्षम माध्यम प्राप्त करने के लिए, परमाणुओं और अणुओं के उत्तेजना के अन्य (गैर-तापमान) तरीकों का उपयोग करना आवश्यक है।

यह दिखाया जा सकता है कि केवल एक नकारात्मक तापमान पर अधिक (यानी, एन) हो सकता है, अर्थात, विचाराधीन माध्यम की गैर-संतुलन स्थिति में। यदि, इसके अलावा, यह गैर-संतुलन राज्य मेटास्टेबल है (भाग II, 3 देखें), तो यह संभव है, एक उपयुक्त बाहरी प्रभाव की मदद से, एक में अतिरिक्त ऊर्जा जारी करके संतुलन राज्य में अचानक संक्रमण का कारण बनता है। बहुत कम समय। यह विचार लेज़रों के संचालन को रेखांकित करता है।

पर्यावरण की वह स्थिति जिसमें ऊपरी ऊर्जा स्तरों में निचले स्तर की तुलना में बड़े भरण कारक होते हैं, व्युत्क्रम कहलाते हैं। चूंकि इस अवस्था में माध्यम सामान्य रूप से क्षीण नहीं होता है, लेकिन माध्यम में विकिरण प्रवाह की तीव्रता को बदलने के सूत्र में इसके माध्यम से गुजरने वाले विकिरण को बढ़ाता है।

गुणांक एक ऋणात्मक मान होगा (इसलिए घातांक एक धनात्मक मान है)। इसे देखते हुए, एक व्युत्क्रम अवस्था में एक माध्यम को नकारात्मक अवशोषण सूचकांक वाला माध्यम कहा जाता है। इस तरह के मीडिया को प्राप्त करने की संभावना, उनके गुण और ऑप्टिकल विकिरण को बढ़ाने के लिए उपयोग की स्थापना और विकास वी। ए। फेब्रिकेंट और उनके सहयोगियों (1939-1951) द्वारा किया गया था।

उत्परिवर्तन (लैटिन उत्परिवर्तन से - परिवर्तन) जीन और गुणसूत्रों में परिवर्तन है, जो जीवों के गुणों और विशेषताओं में परिवर्तन में प्रकट होता है। उनका वर्णन 1901 में डच वैज्ञानिक डी व्रीस ने किया था। उन्होंने उत्परिवर्तन के सिद्धांत की नींव भी रखी। समय और स्थान में उत्परिवर्तन के गठन की प्रक्रिया को कहा जाता है म्युटाजेनेसिस . पदार्थ जो कोशिकाओं में उत्परिवर्तन का कारण बनते हैं उत्परिवर्तजन

उत्पत्ति के आधार पर, सहज और प्रेरित उत्परिवर्तन प्रतिष्ठित हैं।

जनन और दैहिक उत्परिवर्तन।

उत्परिवर्तन एक जीव के विकास के सभी चरणों में हो सकते हैं और रोगाणु कोशिकाओं और दैहिक कोशिकाओं दोनों में जीन और गुणसूत्रों को प्रभावित करते हैं। इसलिए, जनन और दैहिक उत्परिवर्तन कोशिका प्रकार द्वारा प्रतिष्ठित होते हैं। जनन उत्परिवर्तन रोगाणु कोशिकाओं में होते हैं और इस मामले में अगली पीढ़ियों को पारित कर दिए जाते हैं। दैहिक उत्परिवर्तन शरीर के किसी भी अन्य दैहिक कोशिकाओं में होते हैं; वे कैंसर को भड़काते हैं, प्रतिरक्षा प्रणाली को बाधित करते हैं, जीवन प्रत्याशा को कम करते हैं। दैहिक उत्परिवर्तन विरासत में नहीं मिले हैं। अधिकांश कार्सिनोजेन्स दैहिक कोशिकाओं में उत्परिवर्तन का कारण बनते हैं।

सहज और प्रेरित उत्परिवर्तन।

अविरल उत्परिवर्तन (किसी दी गई प्रजाति के जीव के जीन की समग्रता में सहज परिवर्तन) - वे उत्परिवर्तन जो बिना किसी स्पष्ट कारण के सामान्य प्राकृतिक परिस्थितियों में जीवों में होते हैं; वे आनुवंशिक सामग्री के प्रजनन में त्रुटियों के रूप में होते हैं, क्योंकि दोहराव पूर्ण सटीकता के साथ नहीं होता है। लंबे समय से यह माना जाता था कि सहज उत्परिवर्तन अकारण होते हैं। अब वे इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि वे कोशिकाओं में होने वाली प्राकृतिक प्रक्रियाओं का परिणाम हैं। वे ब्रह्मांडीय विकिरण, पृथ्वी की सतह पर रेडियोधर्मी तत्वों, जीवों की कोशिकाओं में रेडियोन्यूक्लाइड के रूप में पृथ्वी की प्राकृतिक रेडियोधर्मी पृष्ठभूमि की स्थितियों में उत्पन्न होते हैं। किसी व्यक्ति के विकास में किसी भी समय सहज उत्परिवर्तन हो सकता है और किसी भी गुणसूत्र या जीन को प्रभावित कर सकता है। सहज उत्परिवर्तन की घटना की आवृत्ति, उदाहरण के लिए, 1:100000।

प्रेरित किया उत्परिवर्तन उत्परिवर्तजनों की क्रिया के परिणामस्वरूप उत्पन्न होते हैं जो कोशिका में होने वाली प्रक्रियाओं को बाधित करते हैं।

यदि हम उत्परिवर्तजन के साथ और बिना उपचार के जीवों की कोशिकाओं में सहज और प्रेरित उत्परिवर्तन की आवृत्ति की तुलना करते हैं, तो यह स्पष्ट है कि यदि उत्परिवर्तन की आवृत्ति एक उत्परिवर्तजन के संपर्क के परिणामस्वरूप 100 गुना बढ़ जाती है, तो एक उत्परिवर्तन सहज होगा , बाकी प्रेरित।

उत्परिवर्तन कारक।

सेल में स्थान के आधार पर, वहाँ हैं जेनेटिक तथागुणसूत्र म्यूटेशन . आनुवंशिक, या बिंदु, उत्परिवर्तन अलग-अलग जीनों को बदलने में होते हैं (एक जोड़ी न्यूक्लियोटाइड की हानि, सम्मिलन या प्रतिस्थापन। गुणसूत्र उत्परिवर्तन कई प्रकार हैं औरप्रभावित करना:

गुणसूत्रों की संरचना में परिवर्तन (व्यक्तिगत डीएनए अंशों में प्रमुख पुनर्व्यवस्था):

विलोपन (न्यूक्लियोटाइड्स की संख्या का नुकसान);

दोहराव (डीएनए अंशों की पुनरावृत्ति, जिसके परिणामस्वरूप इसका विस्तार होता है);

व्युत्क्रम (क्रोमोसोम के एक खंड का 180 0 से घूमना);

ट्रांसलोकेशन (एक गुणसूत्र के एक खंड को एक या दूसरे गुणसूत्र में एक नई स्थिति में स्थानांतरित करना)।

गुणसूत्रों की संरचना को प्रभावित करने वाले उत्परिवर्तन कहलाते हैं गुणसूत्र पुनर्व्यवस्था , या विपथन।

गुणसूत्रों की संख्या में परिवर्तन:

पॉलीप्लोइडी (गुणसूत्रों के कई सेट में वृद्धि);

अगुणित (गुणसूत्रों के पूरे सेट में कमी);

Aneuploidy (एक या अधिक गुणसूत्रों को जोड़ने या हटाने के कारण गुणसूत्रों की सामान्य संख्या का उल्लंघन)।

शरीर की कोशिकाओं में गुणसूत्रों की संख्या को प्रभावित करने वाले उत्परिवर्तन कहलाते हैं जीनोमिक . जीनोम किसी दी गई प्रजाति के जीव के जीन की समग्रता है।

उत्परिवर्तन प्रक्रियाएं न केवल मनुष्यों में होती हैं, बल्कि जानवरों और पौधों में भी होती हैं। इसलिए, हम सामान्य पैटर्न पर विचार करते हैं। क्रोमोसोमल विपथन पौधों, जानवरों और मनुष्यों में पाए जाते हैं। वे स्वास्थ्य समस्याओं का कारण बनते हैं। पॉलीप्लोइड पौधों में अधिक आम है, लेकिन जानवरों और मनुष्यों में दुर्लभ है (गुणसूत्रों की संख्या 3, 4, 5 गुना बढ़ सकती है)। Haploidy मुख्य रूप से पौधों में पाया जाता है (लगभग 800 पौधों की प्रजातियों में haploids होते हैं), जानवरों में यह बहुत दुर्लभ है, और यह मनुष्यों में अज्ञात है। Aneuploidy पौधों, जानवरों और मनुष्यों में आम है। हटाना मनुष्यों के लिए गुणसूत्र क्षति का सबसे लगातार और खतरनाक रूप है। कुछ दोहराव हानिकारक और घातक भी होते हैं। एक गुणसूत्र खंड की पुनरावृत्ति छोटी हो सकती है, एकल जीन को प्रभावित करती है, या बड़ी, बड़ी संख्या में जीन को प्रभावित करती है। हानिरहित दोहराव हो सकता है। गुणसूत्रों के टूटने के परिणामस्वरूप स्थानान्तरण होता है। वे आकार में छोटे से लेकर बड़े तक हो सकते हैं।

उत्परिवर्तनों पर ध्यान नहीं दिया जा सकता है यदि वे वंशानुगत संरचनाओं के मामूली क्षेत्रों को प्रभावित करते हैं, लेकिन वे जीव की मृत्यु तक गंभीर विकार पैदा कर सकते हैं।

परिणामी डीएनए क्षति एक उत्परिवर्तन में आवश्यक रूप से महसूस नहीं की जाती है। कोशिका में विद्यमान आनुवंशिक क्षति (मरम्मत) को बहाल करने की प्रभावी प्रणाली के लिए धन्यवाद, वे बिना किसी निशान के गायब हो सकते हैं। एक उत्परिवर्ती जीन की अभिव्यक्ति को दूसरे जीन की क्रिया द्वारा दबाया जा सकता है। इस मामले में, उत्परिवर्ती जीन को पीढ़ी से पीढ़ी तक पारित किया जा सकता है और केवल तभी प्रकट होता है जब दो समान उत्परिवर्ती जीन रोगाणु कोशिका में मिलते हैं। कुछ उत्परिवर्तन केवल अस्तित्व की कुछ शर्तों के तहत ही प्रकट होते हैं। उदाहरण के लिए, उत्परिवर्ती सूक्ष्मजीवों की खेती के एक निश्चित तापमान पर।

चावल। 1. ए - एक फोटॉन का सहज उत्सर्जन; बी - उत्तेजित उत्सर्जन; सी - गुंजयमान अवशोषण; E1 और E2 परमाणु के ऊर्जा स्तर हैं।

उत्तेजित अवस्था में एक परमाणु एक, एक निश्चित अवधि के बाद, अनायास, बिना किसी बाहरी प्रभाव के, कम ऊर्जा वाली अवस्था में जा सकते हैं (हमारे मामले में, मुख्य अवस्था में), विद्युत चुम्बकीय विकिरण के रूप में अतिरिक्त ऊर्जा को छोड़ते हुए (एक फोटॉन का उत्सर्जन करते हुए) ऊर्जा के साथ एच = इ 2 -इएक)। किसी बाहरी प्रभाव के बिना उत्तेजित परमाणु (उत्तेजित माइक्रोसिस्टम) द्वारा एक फोटॉन के उत्सर्जन की प्रक्रिया को कहा जाता है अविरल(या अविरल) विकिरण. सहज संक्रमण की संभावना जितनी अधिक होगी, उत्तेजित अवस्था में परमाणु का औसत जीवनकाल उतना ही कम होगा। चूँकि स्वतःस्फूर्त संक्रमण परस्पर असंबंधित होते हैं, स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन असंगत होता है।

1916 में, ए आइंस्टीन, पदार्थ और उसके द्वारा उत्सर्जित और अवशोषित विकिरण के बीच प्रयोगात्मक रूप से देखे गए थर्मोडायनामिक संतुलन की व्याख्या करने के लिए, यह माना गया कि, अवशोषण और सहज विकिरण के अलावा, एक तिहाई, गुणात्मक रूप से भिन्न प्रकार की बातचीत होनी चाहिए। यदि एक परमाणु उत्तेजित अवस्था में 2 , बाहरी विकिरण एक आवृत्ति के साथ कार्य करता है जो स्थिति को संतुष्ट करता है एचवी= इ 2 – इ 1 , तब उठता है मजबूर (प्रेरित) संक्रमणजमीन की स्थिति के लिए 1 एक ही ऊर्जा के एक फोटान के उत्सर्जन के साथ एचवी= इ 2 – इ 1 (चित्र। 309, सी)। ऐसे संक्रमण में परमाणु द्वारा विकिरण होता है फोटॉन, वैकल्पिकफोटॉन के लिए जिसके तहत संक्रमण हुआ। ऐसे संक्रमणों से उत्पन्न विकिरण को कहा जाता है उत्तेजित (प्रेरित) विकिरण।इस प्रकार, दो फोटॉन उत्तेजित उत्सर्जन की प्रक्रिया में शामिल होते हैं: प्राथमिक फोटॉन, जो उत्तेजित परमाणु द्वारा विकिरण के उत्सर्जन का कारण बनता है, और दूसरा फोटॉन, परमाणु द्वारा उत्सर्जित होता है। यह महत्वपूर्ण है कि द्वितीयक फोटॉन अविवेच्यप्राथमिक से, जा रहा है उनकी एक सटीक प्रति।

7 लेजर कैसे काम करता है

लेज़रएक उपकरण जो पंप ऊर्जा (प्रकाश, विद्युत, थर्मल, रासायनिक, आदि) को एक सुसंगत, मोनोक्रोमैटिक, ध्रुवीकृत और संकीर्ण रूप से निर्देशित विकिरण प्रवाह की ऊर्जा में परिवर्तित करता है।

लेजर ऑपरेशन का भौतिक आधार उत्तेजित (प्रेरित) विकिरण की क्वांटम यांत्रिक घटना है। लेजर बीम निरंतर हो सकता है, निरंतर आयाम के साथ, या स्पंदित, अत्यधिक उच्च शिखर शक्तियों तक पहुंच सकता है। कुछ योजनाओं में, दूसरे स्रोत से विकिरण के लिए लेजर के कार्यशील तत्व का उपयोग ऑप्टिकल एम्पलीफायर के रूप में किया जाता है। बड़ी संख्या में प्रकार के लेज़र हैं जो एक कार्यशील माध्यम के रूप में पदार्थ की सभी समग्र अवस्थाओं का उपयोग करते हैं।

लेजर के संचालन का भौतिक आधार उत्तेजित (प्रेरित) विकिरण की घटना है। घटना का सार यह है कि एक उत्तेजित परमाणु दूसरे फोटॉन के प्रभाव में एक फोटॉन को उसके अवशोषण के बिना उत्सर्जित करने में सक्षम होता है, अगर बाद की ऊर्जा परमाणु के स्तर की ऊर्जा में अंतर के बराबर होती है। उत्सर्जन। इस मामले में, उत्सर्जित फोटान उस फोटॉन से सुसंगत होता है जो विकिरण का कारण बनता है (यह इसकी "सटीक प्रति" है)। इस प्रकार प्रकाश प्रवर्धित होता है। यह घटना स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन से भिन्न होती है, जिसमें उत्सर्जित फोटोन में प्रसार, ध्रुवीकरण और चरण की यादृच्छिक दिशा होती है। एक यादृच्छिक फोटॉन के कारण उत्तेजित परमाणु के प्रेरित उत्सर्जन की संभावना एक परमाणु द्वारा इस फोटॉन के अवशोषण की संभावना के बराबर होती है। उत्तेजित अवस्था में। इसलिए, प्रकाश को बढ़ाने के लिए, यह आवश्यक है कि माध्यम में अप्रकाशित (तथाकथित जनसंख्या उलटा) की तुलना में अधिक उत्तेजित परमाणु हों। थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में, यह स्थिति संतुष्ट नहीं होती है, इसलिए, लेजर सक्रिय माध्यम को पंप करने के लिए विभिन्न प्रणालियों का उपयोग किया जाता है ( ऑप्टिकल, विद्युतीय, रासायनिकऔर आदि।)।

पीढ़ी का प्राथमिक स्रोत सहज उत्सर्जन की प्रक्रिया है, इसलिए, फोटॉन पीढ़ियों की निरंतरता सुनिश्चित करने के लिए, सकारात्मक प्रतिक्रिया होना आवश्यक है, जिसके कारण उत्सर्जित फोटॉन उत्तेजित उत्सर्जन के बाद के कार्यों का कारण बनते हैं। ऐसा करने के लिए, लेजर सक्रिय माध्यम को एक ऑप्टिकल गुंजयमान यंत्र में रखा जाता है। सबसे सरल मामले में, इसमें दो दर्पण होते हैं, जिनमें से एक पारभासी होता है - लेजर बीम आंशिक रूप से इसके माध्यम से गुंजयमान यंत्र से बाहर निकलता है। दर्पणों से परावर्तित होने पर, विकिरण किरण गुंजयमान यंत्र से बार-बार गुजरती है, जिससे उसमें प्रेरित संक्रमण होता है। विकिरण या तो निरंतर या स्पंदित हो सकता है। एक ही समय में, विभिन्न उपकरणों (घूर्णन .) का उपयोग करना प्रिज्म, केर कोशिकाएंआदि) प्रतिक्रिया को जल्दी से बंद करने और चालू करने के लिए और इस तरह पल्स अवधि को कम करने के लिए, बहुत उच्च शक्ति (तथाकथित) के विकिरण उत्पन्न करने के लिए स्थितियां बनाना संभव है विशाल आवेग) लेजर ऑपरेशन की इस विधा को मॉड्यूलेटेड मोड कहा जाता है। गुणवत्ता कारक.

लेजर द्वारा उत्पन्न विकिरण मोनोक्रोमैटिक (एकल या असतत सेट .) है तरंग दैर्ध्य), चूंकि एक निश्चित तरंग दैर्ध्य के एक फोटॉन के उत्सर्जन की संभावना चौड़ीकरण से जुड़ी एक निकट स्थित वर्णक्रमीय रेखा की तुलना में अधिक होती है, और, तदनुसार, इस आवृत्ति पर प्रेरित संक्रमण की संभावना भी अधिकतम होती है। इसलिए, धीरे-धीरे पीढ़ी की प्रक्रिया में, किसी दिए गए तरंग दैर्ध्य के फोटॉन अन्य सभी फोटॉनों पर हावी हो जाएंगे। इसके अलावा, दर्पणों की विशेष व्यवस्था के कारण, केवल वे फोटॉन जो गुंजयमान यंत्र के ऑप्टिकल अक्ष के समानांतर दिशा में उससे थोड़ी दूरी पर फैलते हैं, लेजर बीम में संग्रहीत होते हैं, बाकी फोटॉन जल्दी से गुंजयमान यंत्र की मात्रा छोड़ देते हैं . इस प्रकार, लेज़र बीम का विचलन कोण बहुत छोटा होता है ] . अंत में, लेजर बीम में कड़ाई से परिभाषित ध्रुवीकरण होता है। ऐसा करने के लिए, विभिन्न पोलेरॉइड को गुंजयमान यंत्र में पेश किया जाता है, उदाहरण के लिए, वे लेज़र बीम के प्रसार की दिशा में ब्रूस्टर कोण पर स्थापित फ्लैट ग्लास प्लेट हो सकते हैं।

परमाणु और अणु कुछ ऊर्जा अवस्थाओं में होते हैं, कुछ ऊर्जा स्तरों पर होते हैं। एक पृथक परमाणु के लिए अपनी ऊर्जा अवस्था को बदलने के लिए, उसे या तो एक फोटॉन (ऊर्जा प्राप्त करना) को अवशोषित करना चाहिए और उच्च ऊर्जा स्तर पर जाना चाहिए, या एक फोटॉन का उत्सर्जन करना चाहिए और कम ऊर्जा की स्थिति में जाना चाहिए।

यदि कोई परमाणु उत्तेजित अवस्था में है, तो एक निश्चित संभावना है कि कुछ समय बाद वह निम्न अवस्था में चला जाएगा और एक फोटॉन उत्सर्जित करेगा। इस संभाव्यता के दो घटक हैं - एक स्थिरांक और एक "चर"।

यदि उस क्षेत्र में कोई विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र नहीं है जहां उत्तेजित परमाणु स्थित है, तो परमाणु के निचले राज्य में संक्रमण की प्रक्रिया, एक फोटान के उत्सर्जन के साथ और संक्रमण संभावना के निरंतर घटक द्वारा विशेषता, कहलाती है स्वत: उत्सर्जन।

सहज उत्सर्जन सुसंगत नहीं है क्योंकि विभिन्न परमाणु एक दूसरे से स्वतंत्र रूप से उत्सर्जित होते हैं। यदि एक बाह्य विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र उत्सर्जित फोटॉन की आवृत्ति के बराबर आवृत्ति के साथ परमाणु पर कार्य करता है, तो परमाणु के निम्न ऊर्जा अवस्था में सहज संक्रमण की प्रक्रिया पहले की तरह जारी रहती है, जबकि परमाणु द्वारा उत्सर्जित विकिरण का चरण होता है बाहरी क्षेत्र के चरण पर निर्भर नहीं है।

हालांकि, उत्सर्जित फोटॉन की आवृत्ति के बराबर आवृत्ति के साथ बाहरी विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की उपस्थिति परमाणुओं को विकिरण उत्सर्जित करने के लिए प्रेरित करती है, परमाणु के निम्न ऊर्जा राज्य में संक्रमण की संभावना बढ़ जाती है। इस मामले में, परमाणु के विकिरण में समान आवृत्ति, प्रसार की दिशा और ध्रुवीकरण बाहरी विकिरण को मजबूर करने के समान होता है। परमाणुओं का विकिरण एक बाहरी क्षेत्र के साथ एक अलग चरण अवस्था में होगा, अर्थात यह सुसंगत होगा। इस तरह की विकिरण प्रक्रिया को प्रेरित (या मजबूर) कहा जाता है और इसे "चर" संभाव्यता घटक (यह जितना अधिक होता है, बाहरी विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की ऊर्जा घनत्व जितना अधिक होता है) की विशेषता होती है। चूंकि विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की ऊर्जा संक्रमण को उत्तेजित करने पर खर्च होती है, बाहरी क्षेत्र की ऊर्जा उत्सर्जित फोटॉनों की ऊर्जा से बढ़ जाती है। ये प्रक्रियाएँ हमारे चारों ओर लगातार हो रही हैं, क्योंकि प्रकाश तरंगें हमेशा पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करती हैं।

हालांकि, रिवर्स प्रक्रियाएं भी होती हैं। परमाणु फोटॉन को अवशोषित करते हैं और उत्तेजित हो जाते हैं, और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की ऊर्जा अवशोषित फोटॉन की ऊर्जा से कम हो जाती है। प्रकृति में उत्सर्जन और अवशोषण की प्रक्रियाओं के बीच संतुलन होता है, इसलिए औसतन हमारे आसपास की प्रकृति में विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के प्रवर्धन की कोई प्रक्रिया नहीं होती है।

चलो एक दो स्तरीय प्रणाली है।

दो-स्तरीय प्रणाली में संक्रमण योजना

एन 2उत्तेजित अवस्था में प्रति इकाई आयतन में परमाणुओं की संख्या है। एन 1- उत्तेजित अवस्था में 1.

dN2 = - A21 N2 डीटी,

प्रति इकाई आयतन में परमाणुओं की संख्या जो राज्य 2 छोड़ चुके हैं। ए21राज्य 2 से राज्य 1 में एक परमाणु के एक सहज संक्रमण की संभावना है। एकीकृत करने के बाद, हम प्राप्त करते हैं

N2 = N20eA21t,

कहाँ पे एन20एक समय में राज्य 2 में परमाणुओं की संख्या है टी = 0. सहज उत्सर्जन तीव्रता I Cके बराबर है

आईसी = (hμ21 dN2) / dt = hμ21 A21 N2 = hμ21 A21 N20 e - A21t,

स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन की तीव्रता तेजी से घटती है।

से समय में अवस्था 2 छोड़ने वाले परमाणुओं की संख्या टीइससे पहले टी+डीटी, बराबर A21 N2dt, अर्थात्, यह उस समय के परमाणुओं की संख्या है टीराज्य में 2. इसलिए औसत जीवनकाल τ राज्य 2 में एक परमाणु है

= (1 / N20) 21 N2 tdt = A21 e-A21t

डीटी = (1 / ए21)τ = 1 / ए21

आईसी = hμ21 A21 N20 e - A21t = (hμ21 N20 / τ) e

एक प्रेरित संक्रमण की संभावना W21 2 - 1 विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के वर्णक्रमीय ऊर्जा घनत्व के समानुपाती होता है ρν संक्रमण आवृत्ति पर, अर्थात्

W21 = B21

बी21प्रेरित उत्सर्जन का आइंस्टीन गुणांक है।

संक्रमण की संभावना 1- 2

W12 = B12 v,

= (8πhμ321 / c3) (1 / ई -1)प्लैंक का सूत्र।