Emissão estimulada é o processo pelo qual um fóton de entrada de certa frequência pode interagir com um elétron atômico excitado (ou outro estado molecular excitado), fazendo com que ele caia para um nível de energia mais baixo. A energia liberada é transferida para o campo eletromagnético, criando um novo fóton com fase, frequência, polarização e direção de movimento idênticas aos fótons da onda incidente. E isso acontece em contraste com a radiação espontânea, que funciona em intervalos aleatórios, sem levar em conta o campo eletromagnético circundante.
Condições para obtenção da emissão estimulada
O processo é idêntico em forma à absorção atômica, na qual a energia do fóton absorvido causa uma transição atômica idêntica, mas oposta: de baixo paranível de energia mais alto. Em ambientes normais em equilíbrio térmico, a absorção excede a emissão estimulada porque há mais elétrons em estados de energia mais baixos do que em estados de energia mais altos.
No entanto, quando a inversão da população está presente, a taxa de emissão estimulada excede a taxa de absorção e a amplificação óptica pura pode ser alcançada. Esse meio amplificador, juntamente com um ressonador óptico, forma a base de um laser ou de um maser. Sem um mecanismo de feedback, amplificadores de laser e fontes superluminescentes também operam com base na emissão estimulada.
Qual é a principal condição para obter a emissão estimulada?
Elétrons e suas interações com campos eletromagnéticos são importantes para nossa compreensão da química e da física. Na visão clássica, a energia de um elétron girando em torno de um núcleo atômico é maior para órbitas distantes do núcleo atômico.
Quando um elétron absorve energia luminosa (fótons) ou energia térmica (fônons), ele recebe esse quantum de energia incidente. Mas as transições só são permitidas entre níveis discretos de energia, como os dois mostrados abaixo. Isso resulta em linhas de emissão e absorção.
Aspecto energético
A seguir, falaremos sobre a principal condição para obtenção da radiação induzida. Quando um elétron é excitado de um nível de energia mais baixo para um mais alto, é improvável que permaneça assim para sempre. Um elétron em um estado excitado pode decair para umestado de energia não ocupado, de acordo com uma determinada constante de tempo que caracteriza esta transição.
Quando tal elétron decai sem influência externa, emitindo um fóton, isso é chamado de emissão espontânea. A fase e a direção associadas a um fóton emitido são aleatórias. Assim, um material com muitos átomos em tal estado excitado pode resultar em radiação que tem um espectro estreito (centrado em torno de um único comprimento de onda de luz), mas os fótons individuais não terão relações de fase comuns e também serão emitidos em direções aleatórias. Este é o mecanismo de fluorescência e geração de calor.
Campo eletromagnético externo na frequência associada à transição pode afetar o estado da mecânica quântica do átomo sem absorção. Quando um elétron em um átomo faz uma transição entre dois estados estacionários (nenhum dos quais mostra um campo de dipolo), ele entra em um estado de transição que possui um campo de dipolo e age como um pequeno dipolo elétrico que oscila em uma frequência característica.
Em resposta a um campo elétrico externo nesta frequência, a probabilidade de uma transição eletrônica para tal estado aumenta significativamente. Assim, a taxa de transições entre dois estados estacionários excede a magnitude da emissão espontânea. A transição de um estado de energia mais alto para um estado de energia mais baixo cria um fóton adicional com a mesma fase e direção do fóton incidente. Este é o processo de emissão forçada.
Abertura
Emissão estimulada foi a descoberta teórica de Einstein sob a velha teoria quântica, na qual a radiação é descrita em termos de fótons, que são quanta do campo eletromagnético. Tal radiação também pode ocorrer em modelos clássicos sem referência a fótons ou mecânica quântica.
Emissão estimulada pode ser modelada matematicamente dado um átomo que pode estar em um dos dois estados de energia eletrônica, um estado de nível inferior (possivelmente um estado fundamental) e um estado excitado, com energias E1 e E2 respectivamente.
Se um átomo está em um estado excitado, ele pode decair para um estado inferior através de um processo de emissão espontânea, liberando a diferença de energia entre os dois estados como um fóton.
Alternativamente, se um átomo em estado excitado é perturbado por um campo elétrico de frequência ν0, ele pode emitir um fóton adicional de mesma frequência e em fase, aumentando assim o campo externo, deixando o átomo em um estado de energia mais baixo. Este processo é conhecido como emissão estimulada.
Proporcionalidade
A constante de proporcionalidade B21 usada nas equações para determinar a emissão espontânea e induzida é conhecida como coeficiente de Einstein B para aquela transição particular, e ρ(ν) é a densidade de radiação do campo incidente na frequência ν. Assim, a taxa de emissão é proporcional ao número de átomos no estado excitado N2 e à densidade de fótons incidentes. Tal é a essênciafenômenos de emissão estimulada.
Ao mesmo tempo, ocorrerá o processo de absorção atômica, que retira energia do campo, elevando os elétrons do estado inferior para o superior. Sua velocidade é determinada por uma equação essencialmente idêntica.
Assim, a potência líquida é liberada em um campo elétrico igual à energia de um fóton h vezes essa taxa líquida de transição. Para que este seja um número positivo, indicando a emissão total espontânea e induzida, deve haver mais átomos no estado excitado do que no nível inferior.
Diferenças
As propriedades da emissão estimulada em comparação com as fontes de luz convencionais (que dependem da emissão espontânea) é que os fótons emitidos têm a mesma frequência, fase, polarização e direção de propagação que os fótons incidentes. Assim, os fótons envolvidos são mutuamente coerentes. Portanto, durante a inversão, ocorre a amplificação óptica da radiação incidente.
Mudança de Energia
Embora a energia gerada pela emissão estimulada esteja sempre na frequência exata do campo que a estimulou, a descrição acima do cálculo da velocidade aplica-se apenas à excitação em uma frequência óptica específica, a força do estimulado (ou espontâneo) a emissão diminuirá de acordo com a chamada forma da linha. Considerando apenas o alargamento uniforme que afeta a ressonância atômica ou molecular, a função de forma da linha espectral é descrita como uma distribuição de Lorentz.
Assim, a emissão estimulada é reduzida por estecoeficiente. Na prática, o alargamento da forma de linha devido ao alargamento não homogêneo também pode ocorrer, principalmente devido ao efeito Doppler resultante da distribuição de velocidades no gás a uma determinada temperatura. Isso tem uma forma gaussiana e reduz a força de pico da função de forma de linha. Em um problema prático, a função de forma de linha completa pode ser calculada pela convolução das funções de forma de linha individuais envolvidas.
Emissão estimulada pode fornecer um mecanismo físico para amplificação óptica. Se uma fonte externa de energia estimula mais de 50% dos átomos no estado fundamental a fazer a transição para um estado excitado, então o que é chamado de inversão populacional é criado.
Quando a luz da frequência apropriada passa por um meio invertido, os fótons são absorvidos por átomos que permanecem no estado fundamental ou estimulam os átomos excitados a emitir fótons adicionais de mesma frequência, fase e direção. Como há mais átomos no estado excitado do que no estado fundamental, o resultado é um aumento na intensidade de entrada.
Absorção de radiação
Na física, a absorção da radiação eletromagnética é a maneira pela qual a energia de um fóton é absorvida pela matéria, geralmente os elétrons de um átomo. Assim, a energia eletromagnética é convertida em energia interna do absorvedor, como o calor. A diminuição da intensidade de uma onda de luz que se propaga em um meio devido à absorção de alguns de seus fótons é frequentemente chamada de atenuação.
Normalmente absorção de ondasnão depende de sua intensidade (absorção linear), embora sob certas condições (geralmente em óptica) o meio mude a transparência dependendo da intensidade das ondas transmitidas e da absorção saturável.
Existem várias maneiras de quantificar a rapidez e eficiência com que a radiação é absorvida em um determinado ambiente, como o coeficiente de absorção e algumas quantidades derivadas intimamente relacionadas.
Fator de atenuação
Várias características do fator de atenuação:
- Fator de atenuação, que às vezes, mas nem sempre, é sinônimo de fator de absorção.
- A capacidade de absorção molar é chamada de coeficiente de extinção molar. É a absorbância dividida pela molaridade.
- O fator de atenuação de massa é o fator de absorção dividido pela densidade.
- As seções de choque de absorção e espalhamento estão intimamente relacionadas aos coeficientes (absorção e atenuação, respectivamente).
- Extinção em astronomia é equivalente ao fator de amortecimento.
Constante para equações
Outras medidas de absorção de radiação são profundidade de penetração e efeito pelicular, constante de propagação, constante de atenuação, constante de fase e número de onda complexo, índice de refração complexo e coeficiente de extinção, permissividade complexa, resistividade elétrica e condutividade.
Absorção
Absorção (também chamada de densidade óptica) eprofundidade (também chamada de espessura óptica) são duas medidas inter-relacionadas.
Todas essas grandezas medem, pelo menos até certo ponto, o quanto um meio absorve radiação. No entanto, praticantes de diferentes áreas e métodos costumam usar valores diferentes retirados da lista acima.
A absorção de um objeto quantifica quanta luz incidente é absorvida por ele (em vez de reflexão ou refração). Isso pode estar relacionado a outras propriedades do objeto através da lei Beer–Lambert.
Medidas precisas de absorbância em muitos comprimentos de onda permitem identificar uma substância usando espectroscopia de absorção, onde a amostra é iluminada de um lado. Alguns exemplos de absorção são espectroscopia ultravioleta-visível, espectroscopia de infravermelho e espectroscopia de absorção de raios-X.
Aplicativo
Compreender e medir a absorção de radiação eletromagnética e induzida tem muitas aplicações.
Quando distribuído, por exemplo, por rádio, é apresentado fora da linha de visão.
A emissão estimulada de lasers também é bem conhecida.
Em meteorologia e climatologia, as temperaturas globais e locais dependem, em parte, da absorção da radiação pelos gases atmosféricos (por exemplo, o efeito estufa), bem como pelas superfícies terrestres e oceânicas.
Na medicina, os raios X são absorvidos em graus variados por diferentes tecidos (em particular, o osso), que é a base da radiografia.
Também usado em química e ciência dos materiais, como diferentesmateriais e moléculas irão absorver a radiação em diferentes graus em diferentes frequências, permitindo que o material seja identificado.
Na óptica, óculos de sol, filtros de cor, corantes e outros materiais similares são especialmente projetados para levar em conta quais comprimentos de onda visíveis eles absorvem e em quais proporções. A estrutura dos vidros depende das condições sob as quais a emissão estimulada aparece.
Na biologia, os organismos fotossintéticos requerem que a luz do comprimento de onda apropriado seja absorvida na região ativa dos cloroplastos. Isso é necessário para que a energia luminosa possa ser convertida em energia química dentro de açúcares e outras moléculas.
É sabido na física que a região D da ionosfera da Terra absorve significativamente os sinais de rádio que caem no espectro eletromagnético de alta frequência e estão associados à radiação induzida.
Na física nuclear, a absorção da radiação nuclear pode ser usada para medir níveis de líquidos, densitometria ou medições de espessura.
As principais aplicações da radiação induzida são geradores quânticos, lasers, dispositivos ópticos.
