emissão espontânea.

Considere em algum meio dois níveis de energia 1 e 2 com energias e (< ).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):

Que. emissão espontânea caracterizada pela emissão de um fóton com energia - quando um átomo passa do nível 2 para o 1. (Fig.)

A probabilidade de emissão espontânea pode ser determinada como segue. Vamos supor que no momento t no nível 2 existam átomos em unidade de volume. Taxa de transição ( /dt)spont. Esses átomos, como resultado da emissão espontânea ao nível mais baixo, são obviamente proporcionais a . Portanto, podemos escrever:

(/dt)espont. =A(2)

O fator A representa a probabilidade de emissão espontânea e é chamado de coeficiente. Einstein A. O valor \u003d 1 \ A é chamado de tempo de vida espontâneo. O valor numérico de A () depende da transição específica envolvida na radiação.

emissão forçada.

Suponha que o átomo nah. uma onda eletromagnética com uma frequência definida pela expressão (1) - \h (ou seja, com uma frequência igual à frequência de uma onda emitida espontaneamente) cai nos níveis 2 e em uma substância. Uma vez que as frequências da onda incidente e radiação associada com uma transição atômica são iguais entre si, há uma probabilidade finita de que a onda incidente cause uma transição de 2 → 1. Neste caso, a diferença de energia - será liberada na forma de uma onda elétrica, que será adicionado ao incidente, este é o fenômeno de uma transição forçada.

Existe uma diferença significativa entre os processos de emissão espontânea e estimulada. No caso de emissão espontânea, um átomo emite uma onda eletromagnética, cuja fase não tem relação definida com a fase da onda emitida por outro átomo. Além disso, a onda emitida pode ter qualquer direção de propagação. No caso da emissão estimulada, como o processo é iniciado pela onda de entrada, a radiação de qualquer átomo é adicionada a essa onda na mesma fase. A onda incidente também determina a direção de propagação da onda emitida. O processo de emissão estimulada pode ser descrito usando a equação:

(/dt)cont.= (3)

Onde (/dt)vyv.- a velocidade da transição 2 → 1 devido à radiação estimulada, e. Assim como o coe-t A determinado pela expressão (2), ele também tem a dimensão (tempo) ^-1. No entanto, ao contrário de A, depende não apenas de uma determinada transição, mas também da intensidade da onda eletromagnética incidente. Mais precisamente, para uma onda plana, pode-se escrever:

onde F é a densidade do fluxo de fótons na onda incidente, é um valor que tem a dimensão da área (a seção transversal da emissão estimulada) e depende das características da transição dada.

4. Absorção Coeficientes de absorção.

Suponha que o átomo esteja inicialmente no nível 1. Se este for o nível principal, então o átomo permanecerá nele até ser afetado por alguma perturbação externa. Deixe uma onda eletromagnética atingir a substância com uma frequência determinada pela expressão : 2 - E 1 )/ h.

Neste caso, há uma probabilidade finita de que o átomo vá para o nível superior 2. A diferença de energia E 2 - E 1 , necessário para o átomo fazer a transição, é obtido da energia da onda eletromagnética incidente. Este é o processo de absorção. Por analogia com (dN 2 / dt ) saída = - C 21 N 2 probabilidade de aquisição C 12 é determinado pela equação: dN 1 / dt = - C 12 N 1 , Onde N 1 é o número de átomos por unidade de volume que estão atualmente no nível 1. Além disso, assim como na expressão C 21 = 21 F , você pode escrever: C 12 = 12 F . Aqui 12 alguma área (seção transversal de absorção), que depende apenas de uma transição particular. Suponhamos agora que a cada átomo pode ser atribuída uma seção de choque efetiva de absorção de fótons uma no sentido de que se um fóton entrar nesta seção transversal, ele será absorvido pelo átomo. Se a área da seção transversal de uma onda eletromagnética em um meio é denotada por S , então o número de átomos do meio iluminado pela onda em uma camada de espessura dz é igual a N 1 Sdz e então a seção transversal de absorção total será igual a uma N 1 Sdz . Portanto, a mudança relativa no número de fótons ( dF / F ) em uma camada de espessura dz ambiente é: dF / F = - uma N 1 Sdz / S . Está claro que = uma , de modo que a quantidade pode receber o significado da seção transversal de absorção efetiva. A interação da radiação com a matéria pode ser descrita de forma diferente definindo o coeficiente usando a expressão: = ( N 1 – N 2 ). Se um N 1 > N 2 , então o valor é chamado de coeficiente de absorção. O coeficiente de absorção pode ser encontrado como: (2 2 /3 n 0 c 0 h )( N 1 – N 2 ) 2 g t ( ) . Como depende das populações dos dois níveis, este não é o parâmetro mais adequado para descrever a interação em casos em que as populações de nível mudam, como em um laser, por exemplo. No entanto, a vantagem deste parâmetro é que ele pode ser medido diretamente. Sério, dF = - fdz . Portanto, a razão entre a densidade do fluxo de fótons que passou no meio para uma profundidade eu , a densidade do fluxo de fótons incidente é igual a F ( eu )/ F (0)= exp (- eu ) . Medições experimentais desta razão usando radiação suficientemente monocromática dão um valor para aquele comprimento de onda particular da luz incidente. A seção transversal de transição correspondente é obtida a partir da expressão = ( N 1 – N 2 ) , se não-liquidações forem conhecidas N 1 e N 2 . O dispositivo para medir o coeficiente de absorção é chamado de espectrofotômetro de absorção.

Bouguer - Lambert - Lei da cerveja- uma lei física que determina a atenuação de um feixe de luz monocromático paralelo quando se propaga em um meio absorvente.

A lei é expressa pela seguinte fórmula:

onde I0 é a intensidade do feixe de entrada, l é a espessura da camada de material através da qual a luz passa, kλ é o coeficiente de absorção (não deve ser confundido com o índice de absorção adimensional κ, que está relacionado a kλ pela fórmula kλ = 4πκ / λ, onde λ é o comprimento de onda).

O índice de absorção caracteriza as propriedades de uma substância e depende do comprimento de onda λ da luz absorvida. Essa dependência é chamada de espectro de absorção da substância.

A transição de um sistema excitado (átomo, molécula) dos níveis de energia superiores para os inferiores pode ocorrer espontaneamente ou induzida.

A transição espontânea é chamada de transição espontânea (independente), devido apenas a fatores que operam dentro do sistema e inerentes a ele. Esses fatores determinam o tempo médio de residência do sistema no estado excitado; de acordo com a relação de Heisenberg (ver § 11),

Teoricamente, esse tempo pode ter valores diferentes dentro de:

ou seja, depende das propriedades do sistema - a propagação dos valores da energia do estado excitado (a característica do sistema é geralmente tomada como o valor médio do tempo gasto em estados excitados, dependendo da média Também deve ser levado em conta o impacto no sistema do espaço circundante ("vácuo físico"), no qual mesmo na ausência de ondas eletromagnéticas, existe, segundo a teoria quântica, um campo flutuante ("flutuações de vácuo") ”); este campo pode estimular a transição do sistema excitado para níveis mais baixos e deve ser incluído entre os fatores não removíveis que causam transições espontâneas.

Induzida é uma transição forçada (estimulada) para um estado energeticamente mais baixo, causada por alguma influência externa no sistema excitado: colisões térmicas, interação com partículas vizinhas ou uma onda eletromagnética passando pelo sistema. No entanto, uma definição mais restrita foi estabelecida na literatura: uma transição induzida é chamada de transição causada apenas por uma onda eletromagnética, além disso, da mesma frequência que é emitida pelo sistema durante essa transição (campos de outras frequências não irão ressoar com as oscilações naturais do sistema,

portanto, seu efeito estimulante será fraco). Como o "portador" do campo eletromagnético é um fóton, segue-se desta definição que, com radiação induzida, um fóton externo estimula o nascimento de um novo fóton de mesma frequência (energia).

Vamos considerar as características mais importantes das transições espontâneas e induzidas usando um simples exemplo idealizado. Suponhamos que em um volume V com paredes de espelho existam sistemas idênticos (átomos, moléculas), dos quais, no momento inicial fixo de tempo, alguma parte é transferida para um estado excitado com energia, o excesso total de energia neste volume será igual a. Para transições espontâneas, o seguinte é característico:

1) o processo de transição de sistemas excitados para estados normais (ou seja, a radiação do excesso de energia é estendida no tempo. Alguns sistemas ficam em estado excitado por um curto período de tempo; para outros, esse tempo é mais longo. Portanto, o fluxo ( potência) de radiação mudará ao longo do tempo, atingirá um máximo em algum momento e então diminuirá assintoticamente para zero. O valor médio do fluxo de radiação será igual a

2) o momento de tempo em que a radiação de um sistema começa, e a localização deste sistema é completamente alheia ao momento de radiação e a localização do outro, ou seja, também não há “consistência” (correlação) entre os sistemas radiantes no espaço ou no tempo. As transições espontâneas são processos completamente aleatórios, dispersos no tempo, sobre o volume do ambiente e em todas as direções possíveis; planos de polarização e radiação eletromagnética de diferentes sistemas têm uma propagação probabilística, de modo que os próprios emissores não são fontes de ondas coerentes.

Para caracterizar as transições induzidas, vamos supor que um fóton com energia exatamente igual a seja introduzido no volume considerado V no momento do tempo. Existe alguma probabilidade de que esse fóton seja absorvido por ele durante uma das colisões com o sistema não excitado; esta probabilidade será considerada abaixo em um caso mais geral (quando os sistemas em consideração interagem com um gás de fóton no volume V). Assumiremos que o fóton não é absorvido, é refletido muitas vezes pelas paredes do vaso e, em colisões com sistemas excitados, estimula a emissão dos mesmos fótons, ou seja, provoca transições induzidas. No entanto, cada novo fóton que aparece durante essas transições também excita as transições induzidas. Como as velocidades dos fótons são altas e as dimensões do volume V são pequenas, levará um tempo muito curto para que todos os sistemas excitados presentes no momento inicial sejam forçados a entrar no estado normal. Portanto, as transições induzidas são caracterizadas pelo seguinte:

1) o tempo necessário para a emissão do excesso de energia pode ser controlado e tornado muito pequeno, de modo que o fluxo de radiação pode ser muito grande;

2) além disso, o fóton que causou a transição e o fóton de mesma energia (frequência) que apareceu durante essa transição estão na mesma fase, possuem a mesma polarização e direção de movimento. Portanto, as ondas eletromagnéticas geradas pela radiação induzida são coerentes.

No entanto, nem toda colisão de um fóton com um sistema excitado leva à sua transição para o estado normal, ou seja, a probabilidade de uma transição induzida em cada “ato de interação” de um fóton com o sistema não é igual à unidade. Vamos denotar esta probabilidade por Suponhamos que em um dado instante de tempo existam fótons no volume V e cada um deles, em média, possa ter colisões por unidade de tempo. Então o número de transições induzidas por unidade de tempo e, portanto, o número de fótons que aparecem no volume V será igual a

Vamos denotar o número de sistemas excitados no volume V como O número de colisões de fótons com sistemas excitados será proporcional à concentração de tais sistemas, ou seja, então pode ser expresso dependendo de:

onde o shind leva em conta todos os outros fatores, exceto o número de fótons e o número de sistemas excitados

O aumento do número de fótons no volume V também ocorrerá devido à emissão espontânea. A probabilidade de uma transição espontânea é a recíproca do tempo médio de residência em um estado excitado, portanto, o número de fótons que aparecem por unidade de tempo devido a transições espontâneas será igual a

A diminuição do número de fótons no volume V ocorrerá como resultado de sua absorção por sistemas não excitados (neste caso, o número de sistemas excitados aumentará). Como nem todo “ato de interação” de um fóton com um sistema é acompanhado de absorção, a probabilidade de absorção deve ser introduzida.

Encontremos a diferença entre as intensidades dos processos de emissão e absorção de fótons, ou seja, os processos de transição de sistemas de níveis superiores para níveis inferiores e vice-versa:

Dependendo do valor no volume considerado, podem ocorrer as seguintes alterações;

1) se então neste volume houver uma diminuição gradual na densidade do gás fóton, ou seja, a absorção de energia radiante. Uma condição necessária para isso é uma baixa concentração de sistemas excitados:

2) se então um estado de equilíbrio é estabelecido no sistema em uma certa concentração específica de sistemas excitados e uma densidade de energia radiante;

3) se (o que é possível em grandes valores, então no volume considerado haverá um aumento na densidade do gás fóton (energia radiante).

É óbvio que uma diminuição ou aumento da energia de radiação ocorrerá não apenas em um volume isolado com paredes refletivas, mas também no caso em que o fluxo de energia radiante monocromática (o fluxo de fótons com frequência se propaga em um meio contendo partículas excitadas com excesso de energia

Vamos encontrar a variação relativa no número de fótons por fóton e por sistema; usando (2,86), (2,83), (2,84) e (2,85), obtemos

Observe que no estado de equilíbrio (que só é possível a uma temperatura positiva de acordo com a fórmula (2.42) dada no § 12, a razão é igual a

A função de partição no denominador neste caso consiste em apenas dois termos, correspondendo a: 1) sistemas em estados normais com energia e 2) sistemas excitados com energia Desta fórmula segue que a uma temperatura positiva infinitamente grande Isso significa que aumentando a temperatura é impossível atingir um estado em que o número de sistemas excitados seja maior do que o número de não excitados. foi maior que Mneexc, ou seja, é necessário que o número de fótons que aparecem durante as transições para níveis mais baixos seja maior que o número de fótons absorvidos no mesmo tempo). Foi apontado acima que tal estado não pode ser alcançado pelo aumento da temperatura. Portanto, para obter um meio capaz de amplificar o fluxo radiante que passa por ele, é necessário usar outros métodos (sem temperatura) de excitação de átomos e moléculas.

Pode ser mostrado que pode haver mais (isto é, N) apenas em uma temperatura negativa, ou seja, em um estado de não equilíbrio do meio em consideração. Se, além disso, este estado de não equilíbrio for metaestável (ver Parte II, § 3), então é possível, com a ajuda de uma influência externa adequada, causar uma transição abrupta para o estado de equilíbrio liberando o excesso de energia em um tempo muito curto. Essa ideia é a base da operação dos lasers.

O estado do ambiente, no qual os níveis de energia superiores possuem grandes fatores de preenchimento em relação aos inferiores, é chamado de inversão. Como nesse estado o meio não atenua, como de costume, mas potencializa a radiação que passa por ele, na fórmula para alterar a intensidade do fluxo radiante no meio

o coeficiente será um valor negativo (portanto, o expoente é um valor positivo). Em vista disso, um meio em estado de inversão é chamado de meio com índice de absorção negativo. A possibilidade de obter tais meios, suas propriedades e uso para amplificar a radiação óptica foram estabelecidos e desenvolvidos por V. A. Fabrikant e seus associados (1939-1951).

Mutações (do latim mutatio - mudança) é uma mudança nos genes e cromossomos, manifestada em uma mudança nas propriedades e características dos organismos. Eles foram descritos em 1901 pelo cientista holandês De Vries. Ele também lançou as bases para a teoria das mutações. O processo de formação de mutações no tempo e no espaço é chamado mutagênese . Substâncias que causam mutações nas células mutagênicos.

Dependendo da origem, as mutações espontâneas e induzidas são distinguidas.

Mutações generativas e somáticas.

Mutações podem ocorrer em todos os estágios de desenvolvimento de um organismo e afetar genes e cromossomos tanto em células germinativas quanto em células somáticas. Portanto, as mutações generativas e somáticas são distinguidas pelo tipo de célula. mutações generativas ocorrem nas células germinativas e, neste caso, são passadas para as próximas gerações. Mutações somáticas ocorrem em quaisquer outras células somáticas do corpo; eles provocam câncer, perturbam o sistema imunológico, reduzem a expectativa de vida. As mutações somáticas não são herdadas. A maioria dos carcinógenos causa mutações nas células somáticas.

Mutações espontâneas e induzidas.

Espontâneo mutações (mudança espontânea na totalidade dos genes de um organismo de uma determinada espécie) - aquelas mutações que ocorrem em organismos sob condições naturais normais sem motivo aparente; ocorrem como erros na reprodução do material genético, pois a reduplicação não ocorre com absoluta precisão. Durante muito tempo acreditou-se que as mutações espontâneas não tinham causa. Agora eles chegaram à conclusão de que são o resultado de processos naturais que ocorrem nas células. Eles surgem sob as condições do fundo radioativo natural da Terra na forma de radiação cósmica, elementos radioativos na superfície da Terra, radionuclídeos nas células dos organismos. A mutação espontânea pode ocorrer a qualquer momento no desenvolvimento de um indivíduo e afetar qualquer cromossomo ou gene. A frequência de ocorrência de mutações espontâneas, por exemplo, 1:100000.

induzido As mutações surgem como resultado da ação de mutagênicos que interrompem os processos que ocorrem na célula.

Se compararmos a frequência de mutações espontâneas e induzidas em células de organismos com e sem tratamento com um mutagênico, é óbvio que, se a frequência de mutações aumentar 100 vezes como resultado da exposição a um mutagênico, uma mutação será espontânea, o resto induzido.

fatores de mutagênese.

Dependendo da localização na célula, existem genético ecromossômico mutações . genético, ou pontual, as mutações consistem na alteração de genes individuais (perda, inserção ou substituição de um par de nucleotídeos. Mutações cromossômicas existem vários tipos eafetar:

mudança na estrutura dos cromossomos (principais rearranjos em fragmentos de DNA individuais):

Deleções (perda do número de nucleotídeos);

Duplicações (repetição de fragmentos de DNA, resultando em seu alongamento);

Inversões (rotação de uma seção de cromossomos em 180 0);

Translocações (transferência de um segmento de um cromossomo para uma nova posição em um ou outro cromossomo).

Mutações que afetam a estrutura dos cromossomos são chamadas rearranjos cromossômicos , ou aberrações.

mudança no número de cromossomos:

Poliploidia (um aumento no conjunto múltiplo de cromossomos);

Haploidia (redução de todo o conjunto de cromossomos);

Aneuploidia (violação do número normal de cromossomos devido à adição ou remoção de um ou mais cromossomos).

Mutações que afetam o número de cromossomos nas células do corpo são chamadas genômico . Genoma é a totalidade dos genes de um organismo de uma dada espécie.

Os processos de mutação ocorrem não apenas em humanos, mas também em animais e plantas. Portanto, consideramos padrões gerais. As aberrações cromossômicas são encontradas em plantas, animais e humanos. Eles levam a problemas de saúde. A poliploidia é mais comum em plantas, mas rara em animais e humanos (o número de cromossomos pode aumentar em 3, 4, 5 vezes). A haploidia também é encontrada principalmente em plantas (cerca de 800 espécies de plantas possuem haplóides), em animais é muito rara e desconhecida em humanos. Aneuploidia é comum em plantas, animais e humanos. As deleções são as formas mais frequentes e perigosas de dano cromossômico para humanos. Algumas duplicações são prejudiciais e até mesmo letais. A repetição de um segmento cromossômico pode ser pequena, afetando um único gene, ou grande, afetando um grande número de genes. Pode haver duplicações inofensivas. As translocações ocorrem como resultado da quebra do cromossomo. Eles podem variar em tamanho de pequeno a grande.

Mutações podem passar despercebidas se afetarem áreas menores de estruturas hereditárias, mas podem levar a distúrbios graves, até a morte do organismo.

O dano de DNA resultante não é necessariamente realizado em uma mutação. Eles podem desaparecer sem deixar vestígios, graças ao sistema eficaz de restauração de danos genéticos (reparação) existentes na célula. A manifestação de um gene mutante pode ser suprimida pela ação de outro gene. Nesse caso, o gene mutante pode ser transmitido de geração em geração e se manifestar apenas quando dois genes mutantes idênticos se encontram na célula germinativa. Algumas mutações aparecem apenas sob certas condições de existência. Por exemplo, em certa temperatura de cultivo de microrganismos mutantes.

Arroz. 1. a - emissão espontânea de um fóton; b - emissão estimulada; c - absorção ressonante; E1 e E2 são os níveis de energia do átomo.

Um átomo em estado excitado uma, pode, após um certo período de tempo, espontaneamente, sem nenhuma influência externa, passar para um estado de menor energia (no nosso caso, para o principal), emitindo excesso de energia na forma de radiação eletromagnética (emitindo um fóton com energia h = E 2 –E 1). O processo de emissão de um fóton por um átomo excitado (microsistema excitado) sem nenhuma influência externa é chamado de espontâneo(ou espontâneo) radiação. Quanto maior a probabilidade de transições espontâneas, menor o tempo de vida médio de um átomo em estado excitado. Como as transições espontâneas não estão relacionadas entre si, a emissão espontânea é incoerente.

Em 1916, A. Einstein, para explicar o equilíbrio termodinâmico observado experimentalmente entre a matéria e a radiação emitida e absorvida por ela, postulou que, além da absorção e da radiação espontânea, deve haver um terceiro tipo de interação qualitativamente diferente. Se um átomo em estado excitado 2 , a radiação externa age com uma frequência que satisfaz a condição hv= E 2 – E 1 , então surge transição forçada (induzida) para o estado fundamental 1 com a emissão de um fóton de mesma energia hv= E 2 – E 1 (Fig. 309, c). Em tal transição, a radiação por um átomo ocorre fóton, opcional ao fóton sob o qual ocorreu a transição. A radiação resultante de tais transições é chamada de radiação estimulada (induzida). Assim, dois fótons estão envolvidos no processo de emissão estimulada: o fóton primário, que provoca a emissão de radiação pelo átomo excitado, e o fóton secundário, emitido pelo átomo. É importante que os fótons secundários indistinguível desde o primário, sendo uma cópia exata deles.

7 Como o laser funciona

Laser um dispositivo que converte a energia da bomba (luz, elétrica, térmica, química, etc.) na energia de um fluxo de radiação coerente, monocromático, polarizado e estreitamente direcionado.

A base física da operação do laser é o fenômeno da mecânica quântica da radiação estimulada (induzida). O feixe de laser pode ser contínuo, com amplitude constante, ou pulsado, atingindo potências de pico extremamente altas. Em alguns esquemas, o elemento de trabalho do laser é usado como amplificador óptico para radiação de outra fonte. Há um grande número de tipos de lasers que usam todos os estados agregados da matéria como meio de trabalho.

A base física da operação do laser é o fenômeno da radiação estimulada (induzida). A essência do fenômeno é que um átomo excitado é capaz de emitir um fóton sob a influência de outro fóton sem sua absorção, se a energia deste último for igual à diferença das energias dos níveis do átomo antes e depois do radiação. Nesse caso, o fóton emitido é coerente com o fóton que causou a radiação (é sua “cópia exata”). É assim que a luz é amplificada. Este fenômeno difere da emissão espontânea, em que os fótons emitidos têm direção de propagação, polarização e fase aleatórias. A probabilidade de um fóton aleatório causar emissão induzida de um átomo excitado é exatamente igual à probabilidade de absorção desse fóton por um átomo em estado não excitado. Portanto, para amplificar a luz, é necessário que haja mais átomos excitados no meio do que não excitados (a chamada inversão de população). No estado de equilíbrio termodinâmico, esta condição não é satisfeita, portanto, são utilizados diferentes sistemas para bombear o meio ativo do laser ( óptico, elétrico, químico e etc).

A fonte primária de geração é o processo de emissão espontânea, portanto, para garantir a continuidade das gerações de fótons, é necessário ter um feedback positivo, devido ao qual os fótons emitidos causam atos subsequentes de emissão estimulada. Para fazer isso, o meio ativo do laser é colocado em um ressonador óptico. No caso mais simples, consiste em dois espelhos, um dos quais é translúcido - o feixe de laser sai parcialmente do ressonador através dele. Refletindo nos espelhos, o feixe de radiação passa repetidamente pelo ressonador, causando transições induzidas nele. A radiação pode ser contínua ou pulsada. Ao mesmo tempo, usando vários dispositivos (girando prismas, Células Kerr etc.) para desligar e ligar rapidamente o feedback e, assim, reduzir o período de pulso, é possível criar condições para gerar radiação de potência muito alta (o chamado impulsos gigantes). Este modo de operação do laser é chamado de modo modulado. fator de qualidade.

A radiação gerada pelo laser é monocromática (conjunto simples ou discreto comprimentos de onda), uma vez que a probabilidade de emissão de um fóton de um determinado comprimento de onda é maior do que a de uma linha espectral próxima associada ao alargamento da linha espectral e, portanto, a probabilidade de transições induzidas nessa frequência também tem um máximo. Portanto, gradualmente no processo de geração, os fótons de um determinado comprimento de onda dominarão todos os outros fótons. Além disso, devido ao arranjo especial dos espelhos, apenas os fótons que se propagam em uma direção paralela ao eixo óptico do ressonador a uma pequena distância dele são armazenados no feixe de laser, o restante dos fótons deixa rapidamente o volume do ressonador . Assim, o feixe de laser tem um ângulo de divergência muito pequeno ] . Finalmente, o feixe de laser tem uma polarização estritamente definida. Para fazer isso, várias polaróides são introduzidas no ressonador, por exemplo, podem ser placas de vidro planas instaladas no ângulo de Brewster em relação à direção de propagação do feixe de laser.

Átomos e moléculas estão em certos estados de energia, estão em certos níveis de energia. Para que um átomo isolado mude seu estado de energia, ele deve absorver um fóton (obter energia) e ir para um nível de energia mais alto, ou emitir um fóton e ir para um estado de energia mais baixo.

Se um átomo está em um estado excitado, então há uma certa probabilidade de que depois de algum tempo ele vá para um estado mais baixo e emita um fóton. Esta probabilidade tem dois componentes - uma constante e uma "variável".

Se não houver campo eletromagnético na região onde o átomo excitado está localizado, então o processo de transição do átomo para o estado inferior, acompanhado pela emissão de um fóton e caracterizado por um componente constante da probabilidade de transição, é chamado emissão espontânea.

A emissão espontânea não é coerente, pois diferentes átomos emitem independentemente uns dos outros. Se um campo eletromagnético externo atua sobre um átomo com uma frequência igual à frequência do fóton emitido, então o processo de transição espontânea do átomo para o estado de energia mais baixo continua como antes, enquanto a fase da radiação emitida pelo átomo continua. não depende da fase do campo externo.

No entanto, a presença de um campo eletromagnético externo com frequência igual à frequência do fóton emitido induz os átomos a emitirem radiação, aumentando a probabilidade de transição do átomo para um estado de menor energia. Nesse caso, a radiação do átomo tem a mesma frequência, direção de propagação e polarização que a radiação externa forçante. A radiação dos átomos estará em um estado de fase separado com um campo externo, ou seja, será coerente. Tal processo de radiação é chamado induzido (ou forçado) e é caracterizado por um componente de probabilidade “variável” (quanto maior, maior a densidade de energia do campo eletromagnético externo). Como a energia do campo eletromagnético é gasta para estimular a transição, a energia do campo externo aumenta com a quantidade de energia dos fótons emitidos. Esses processos ocorrem constantemente ao nosso redor, pois as ondas de luz sempre interagem com a matéria.

No entanto, processos inversos também ocorrem. Os átomos absorvem fótons e ficam excitados, e a energia do campo eletromagnético é reduzida pela energia dos fótons absorvidos. Na natureza, há um equilíbrio entre os processos de emissão e absorção, portanto, em média, na natureza ao nosso redor, não há processo de amplificação do campo eletromagnético.

Vamos ter um sistema de dois níveis.

Esquema de transição em um sistema de dois níveis

N2é o número de átomos por unidade de volume no estado excitado 2. N1- em um estado não excitado 1.

dN2 = - A21N2dt,

o número de átomos por unidade de volume que deixaram o estado 2. A21é a probabilidade de uma transição espontânea de um átomo individual do estado 2 para o estado 1. Após a integração, obtemos

N2 = N20eA21t,

Onde N20é o número de átomos no estado 2 de cada vez t = 0. Intensidade de emissão espontânea icé igual a

Ic = (hμ21 dN2) / dt = hμ21 A21 N2 = hμ21 A21 N20 e – A21t,

A intensidade da emissão espontânea diminui exponencialmente.

O número de átomos que saem do estado 2 no tempo de t antes t+dt, é igual a A21 N2dt, ou seja, este é o número de átomos que o tempo viveu t no estado 2. Daí a vida média τ um átomo no estado 2 é

τ = (1 / N20) 21 N2 tdt = A21 e-A21t

dt = (1 / A21)τ = 1 / A21

Ic = hμ21 A21 N20 e – A21t = (hμ21 N20 / τ) e

A probabilidade de uma transição induzida W21 2 – 1 é proporcional à densidade de energia espectral do campo eletromagnético ρν na frequência de transição, que é

W21 = B21

B21é o coeficiente de emissão estimulada de Einstein.

Probabilidade de transição 1-2

W12 = B12 ρv,

ρν = (8πhμ321 / c3) (1 / e -1) Fórmula de Planck.