- •Введение. Теория Эйнштейна [править]
- •Связь между коэффициентами [править]
- •Свойства вынужденного испускания [править]
- •Применение [править]
- •Феноменологическое определение Эйнштейна [править]
- •Скорость спонтанной релаксации постоянна? [править]
- •Причина спонтанного излучения [править]
- •История создания [править]
- •История [править]
- •Устройство и принцип работы [править] Механизм энерговыделения [править]
- •Конструкция [править]
- •Физические принципы работы [править]
- •Иодная яма [править]
- •Классификация [править] По назначению [править]
- •По спектру нейтронов [править]
- •По размещению топлива [править]
- •По виду топлива [править]
- •Материалы реакторов [править]
- •Выгорание и воспроизводство ядерного топлива [править]
- •Управление ядерным реактором [править]
- •Остаточное тепловыделение [править]
- •Ядерный реактор, принцип действия, работа ядерного реактора.
- •Принцип действия атомного реактора.
- •Устройство ядерного реактора.
- •Работа атомной электростанции.
Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными.
Введение. Теория Эйнштейна [править]
Большой вклад в разработку вопроса о вынужденном излучении (испускании) внес А. Эйнштейн. Гипотеза Эйнштейна состоит в том, что под действием электромагнитного поля частоты ω молекула (атом) может:
перейти с более низкого энергетического уровня на более высокий с поглощением фотона энергией (см. рис. 1a);
перейти с более высокого энергетического уровня на более низкий с испусканием фотона энергией (см. рис. 1б);
кроме того, как и в отсутствие возбуждающего поля, остаётся возможным самопроизвольный переход молекулы (атома) с верхнего на нижний уровень с испусканием фотона энергией (см. рис. 1в).
Первый процесс принято называть поглощением, второй — вынужденным (индуцированным) испусканием, третий — спонтанным испусканием. Скорость поглощения и вынужденного испускания фотона пропорциональна вероятности соответствующего перехода: и где — коэффициенты Эйнштейна для поглощения и испускания, — спектральная плотность излучения.
Число переходов с поглощением света выражается как
с испусканием света даётся выражением:
где — коэффициент Эйнштейна, характеризующий вероятность спонтанного излучения, а — число частиц в первом или во втором состоянии соответственно. Согласно принципу детального равновесия, при термодинамическом равновесии число квантов света при переходах должно равняться числу квантов испущенных в обратных переходах
Связь между коэффициентами [править]
Рассмотрим замкнутую полость, стенки которой испускают и поглощают электромагнитное излучение. Такое излучение характеризуется спектральной плотностью получаемой из формулы Планка:
Так как мы рассматриваем термодинамическое равновесие, то Используя уравнения (1) и (2), находим для состояния равновесия:
откуда:
При термодинамическом равновесии распределение частиц по уровням энергии подчиняетсязакону Больцмана:
где и — статистические веса уровней, показывающие количество независимых состояний квантовой системы, имеющих одну и ту же энергию (вырожденных). Будем считать для простоты, что статвеса уровней равны единице.
Итак, сравнивая (4) и (5) и принимая во внимание, что получим:
Так как при спектральная плотность излучения должна неограниченно возрастать, то нам следует положить знаменатель равным нулю, откуда имеем:
Далее, сопоставив (3) и (6), легко получить:
Последние два соотношения справедливы для любых комбинаций уровней энергии. Их справедливость сохраняется и при отсутствии равновесия, так как определяются только характеристикой систем и не зависят от температуры.
Свойства вынужденного испускания [править]
По свойствам вынужденное испускание существенно отличается от спонтанного.
Наиболее характерная черта вынужденного излучения заключается в том, что возникший поток распространяется в том же направлении, что и первоначальный возбуждающий поток.
Частоты и поляризация вынужденного и первоначального излучений также равны.
Вынужденный поток когерентен возбуждающему.
Применение [править]
На вынужденном излучении основан принцип работы квантовых усилителей, лазеров и мазеров. В рабочем теле лазера путём накачки создаётся избыточное (по сравнению с термодинамическим ожиданием) количество атомов в верхнем энергетическом состоянии. Рабочее тело газового лазера находится в резонаторе (в простейшем случае — пара зеркал), создающем условия для накапливания фотонов с определённым направлением импульса. Первоначальные фотоны возникают за счёт спонтанного излучения, затем их поток лавинообразно усиливается благодаря вынужденному излучению. Лазеры обычно используются для генерации излучения, тогда как мазеры, работающие в области радиочастот, применяются также и для усиления.
Спонтанное излучение или спонтанное испускание — процесс самопроизвольного испускания электромагнитного излучения квантовыми системами(атомами, молекулами) при их переходе из возбуждённого состояния в стабильное.