Spontane Emission ist der Prozess, durch den eine leichte Quelle wie ein Atom, Molekül, nanocrystal oder Kern in einem aufgeregten Staat einen Übergang zu einem Staat mit einer niedrigeren Energie z.B erlebt, der Boden setzen fest, und strahlt ein Foton aus. Die spontane Emission des Lichtes oder der Lumineszenz ist ein grundsätzlicher Prozess, der eine wesentliche Rolle in vielen Phänomenen in der Natur spielt und die Basis von vielen Anwendungen, wie Leuchtstofftuben, ältere Fernsehschirme (Kathode-Strahl-Tuben), Plasmaanzeigetafeln, Laser (für den Anlauf - normale dauernde Operationsarbeiten von der stimulierten Emission stattdessen) und leichte Ausstrahlen-Dioden bildet.

Einführung

Wenn eine leichte Quelle ('das Atom') im aufgeregten Staat mit der Energie ist, kann es zu einem niedrigeren lügnerischen Niveau (z.B, der Boden-Staat) mit der Energie spontan verfallen, den Unterschied in der Energie zwischen den zwei Staaten als ein Foton veröffentlichend. Das Foton wird winkelige Frequenz und Energie haben (=, wo der Planck unveränderlich ist und die Frequenz ist):

wo der reduzierte unveränderliche Planck ist. Die Phase des Fotons in der spontanen Emission ist zufällig, wie die Richtung ist, in der sich das Foton fortpflanzt. Das ist für die stimulierte Emission nicht wahr. Ein Energieniveau-Diagramm, das den Prozess der spontanen Emission illustriert, wird unten gezeigt:

Wenn durch die Zahl von leichten Quellen im aufgeregten Staat, die Rate gegeben wird, an dem Zerfall ist:

wo die Rate der spontanen Emission ist. In der Rate-Gleichung ist eine Proportionalität, die für diesen besonderen Übergang in dieser besonderen leichten Quelle unveränderlich ist. Die Konstante wird den Koeffizienten von Einstein A genannt, und hat Einheiten.

Die obengenannte Gleichung kann gelöst werden, um zu geben:

wo die anfängliche Zahl von leichten Quellen im aufgeregten Staat ist, die Zeit ist und die Strahlungszerfall-Rate des Übergangs ist. Die Zahl von aufgeregten Staaten verfällt so exponential mit der Zeit, die dem radioaktiven Zerfall ähnlich ist. Nach einer Lebenszeit verfällt die Zahl von aufgeregten Staaten zu 36.8 % seines ursprünglichen (maligen) Werts. Die Strahlungszerfall-Rate ist zur Lebenszeit umgekehrt proportional:

Theorie

Spontane Übergänge waren innerhalb des Fachwerks der alten Quant-Theorie nicht erklärlich, die eine Theorie ist, in der die Atomniveaus gequantelt werden, aber das elektromagnetische Feld ist nicht. Tatsächlich, mit der Maschinerie der gewöhnlich genannten "zuerst gequantelten" Quant-Mechanik und die Wahrscheinlichkeit von spontanen Übergängen von einem stationärem Staat bis einen anderen schätzend, findet man, dass es Null ist. Um spontane Übergänge zu erklären, muss Quant-Mechanik zu einer "gequantelten an die zweite Stelle" Theorie erweitert werden, worin das elektromagnetische Feld an jedem Punkt im Raum gequantelt wird. Solch eine Theorie ist als eine Quant-Feldtheorie bekannt; die Quant-Feldtheorie von Elektronen und elektromagnetischen Feldern ist als Quant-Elektrodynamik bekannt.

In der Quant-Elektrodynamik (oder QED) hat das elektromagnetische Feld einen Boden-Staat, QED Vakuum, das sich mit den aufgeregten stationären Staaten des Atoms vermischen kann (für mehr Information, sieh Bezüglich [2]). Infolge dieser Wechselwirkung ist der "stationäre Staat" des Atoms nicht mehr ein wahrer eigenstate des vereinigten Systems des Atoms plus das elektromagnetische Feld. Insbesondere der Elektronübergang vom aufgeregten Staat bis den elektronischen Boden setzen Mischungen mit dem Übergang des elektromagnetischen Feldes vom Boden-Staat bis einen aufgeregten Staat, einen Feldstaat mit einem Foton darin fest. Die spontane Emission im freien Raum hängt von anzufangenden Vakuumschwankungen ab.

Obwohl es nur einen elektronischen Übergang vom aufgeregten Staat gibt, um Staat niederzulegen, gibt es viele Wege, auf die das elektromagnetische Feld vom Boden-Staat bis einen Ein-Foton-Staat gehen kann. D. h. das elektromagnetische Feld hat ungeheuer mehr Grade der Freiheit entsprechend den verschiedenen Richtungen, in denen das Foton ausgestrahlt werden kann. Gleichwertig könnte man sagen, dass der durch das elektromagnetische Feld angebotene Phase-Raum ungeheuer größer ist als das, das durch das Atom angeboten ist. Da man Wahrscheinlichkeiten denken muss, die den ganzen Phase-Raum ebenso besetzen, muss das vereinigte System des Atoms plus das elektromagnetische Feld einen Übergang von der elektronischen Erregung bis eine photonic Erregung erleben; das Atom muss durch die spontane Emission verfallen. Die Zeit die leichte Quelle bleibt im aufgeregten Staat so, hängt von der leichten Quelle selbst sowie seiner Umgebung ab. Stellen Sie sich vor zu versuchen, einen Bleistift aufrecht auf dem Ende Ihres Fingers zu halten. Es wird dort bleiben, wenn Ihre Hand vollkommen stabil ist und nichts das Gleichgewicht stört. Aber die geringste Unruhe wird den Bleistift in eine stabilere Gleichgewicht-Position fallen lassen. Ähnlich veranlassen Vakuumschwankungen ein aufgeregtes Atom, in seinen Boden-Staat zu fallen.

In der Spektroskopie kann man oft finden, dass Atome oder Moleküle in den aufgeregten Staaten ihre Energie ohne jede Außenquelle von Fotonen zerstreuen. Das ist nicht spontane Emission, aber ist wirklich Nichtstrahlungsentspannung der Atome oder Moleküle, die durch die Schwankung der Umgebungsmolekül-Gegenwart innerhalb des Hauptteils verursacht sind.

Rate der spontanen Emission

Die Rate der spontanen Emission (d. h., die Strahlungsrate) können durch die goldene Regel von Fermi beschrieben werden. Die Rate der Emission hängt von zwei Faktoren ab: Ein 'Atomteil', der beschreibt

die innere Struktur der leichten Quelle und ein 'Feldteil', der die Dichte von elektromagnetischen Weisen der Umgebung beschreibt. Der Atomteil beschreibt die Kraft eines Übergangs zwischen zwei Staaten in Bezug auf Übergang-Momente. In einem homogenen Medium, wie freier Raum, wird durch die Rate der spontanen Emission in der Dipolannäherung gegeben:

wo die Emissionsfrequenz ist, der Index der Brechung ist, der Übergang-Dipolmoment ist, das Vakuum permittivity ist, der reduzierte Planck unveränderlich ist und die Vakuumgeschwindigkeit des Lichtes ist. (Diese Annäherung bricht im Fall von inneren Schale-Elektronen in hohen-Z Atomen zusammen.) Klar nimmt die Rate der spontanen Emission im freien Raum damit zu. Im Vergleich mit Atomen, die ein getrenntes Emissionsspektrum haben, können Quant-Punkte unaufhörlich durch das Ändern ihrer Größe abgestimmt werden. Dieses Eigentum ist verwendet worden, um - Frequenzabhängigkeit der spontanen Emissionsrate, wie beschrieben, durch die goldene Regel von Fermi zu überprüfen.

Strahlungs- und Nichtstrahlungszerfall: die Quant-Leistungsfähigkeit

In der Rate-Gleichung oben wird es angenommen, dass der Zerfall der Zahl von aufgeregten Staaten nur unter der Emission des Lichtes vorkommt. In diesem Fall spricht man vom vollen Strahlungszerfall, und das bedeutet, dass die Quant-Leistungsfähigkeit 100 % ist. Außer dem Strahlungszerfall, der unter der Emission des Lichtes vorkommt, gibt es einen zweiten Zerfall-Mechanismus; Nichtstrahlungszerfall. Um die Gesamtzerfall-Rate zu bestimmen, sollten Strahlungs- und Nichtstrahlungsraten summiert werden:

wo die Gesamtzerfall-Rate ist, ist die Strahlungszerfall-Rate und die Nichtstrahlungszerfall-Rate. Die Quant-Leistungsfähigkeit (QE) wird als der Bruchteil von Emissionsprozessen definiert, an denen die Emission des Lichtes beteiligt wird:

In der Nichtstrahlungsentspannung wird die Energie als phonons veröffentlicht, allgemeiner als Hitze bekannt. Nichtstrahlungsentspannung kommt vor, wenn der Energieunterschied zwischen den Niveaus sehr klein ist, und diese normalerweise auf einem viel schnelleren zeitlichen Rahmen vorkommen als Strahlungsübergänge. Für viele Materialien (zum Beispiel, Halbleiter), bewegen sich Elektronen schnell von einem hohen Energieniveau bis ein meta-stabiles Niveau über kleine Nichtstrahlungsübergänge und machen dann die Endbewegung unten zum untersten Niveau über einen optischen oder Strahlungsübergang. Dieser Endübergang ist der Übergang über den bandgap in Halbleitern. Große Nichtstrahlungsübergänge kommen oft nicht vor, weil die Kristallstruktur allgemein große Vibrationen nicht unterstützen kann, ohne Obligationen zu zerstören (der allgemein für die Entspannung nicht geschieht). Meta-stabile-Zustände bilden eine sehr wichtige Eigenschaft, die im Aufbau von Lasern ausgenutzt wird. Spezifisch, da Elektronen langsam von ihnen verfallen, können sie in diesem Staat ohne zu viel Verlust angehäuft werden, und dann kann stimulierte Emission verwendet werden, um ein optisches Signal zu erhöhen.

Siehe auch

• Absorption (Optik)
• Stimulierte Emission
• Emissionsspektrum
• Geisterhafte Linie
• Geisterhafte Atomlinie
• Laserwissenschaft
• Wirkung von Purcell
• Kristall von Photonic
• Rabi Vakuumschwingung
• Modell von Jaynes-Cummings

Links

• Das Handbuch von Britney zur Halbleiterphysik