مقارنة بين الانبعاث التلقائي والانبعاث المحفز

مفهوم امتصاص الطاقة

لفهم معنى الانبعاث التلقائي والانبعاث المحفز والفرق بينهما، يجب معرفة المعلومات الأساسية المتعلقة بامتصاص الطاقة. تبقى الذرة في الحالة الأرضية إذا لم يتم تحفيزها أو إثارتها. يتم تحفيز الذرة عن طريق الإشعاع الكهرومغناطيسي من الحرارة أو الضوء أو الكهرباء، والذي يتميز بتردد كاف لنقل الذرة من المستوى الأساسي إلى المستوى المثار.

يمكن نقل الذرة من حالة استقرارها إلى حالة طاقية مثارة في الأعلى، وعند ذلك يزداد طاقة الذرة بقدر الطاقة التي امتصتها للانتقال إلى الحالة الطاقية الأعلى، ويطلق على هذه العملية مصطلح امتصاص الطاقة.

مفهوم الانبعاث التلقائي

عند تنشيط ذرات المادة واكتسابها طاقة من أي إشعاع كهرومغناطيسي، سواء كان حراريا أو ضوئيا أو كهربائيا، تبقى الذرة في حالة تنشيط في أعلى مستوى طاقي، ثم تنخفض تلقائيا إلى أدنى مستوى طاقي بدون الحاجة إلى مؤثر خارجي، وبذلك تعود إلى حالتها الأرضية. يرتبط الوقت الذي تبقى فيه الذرة في مستوى طاقة معين أقل من مستواها الأصلي بالذرة نفسها وخصائص المستوى، ويسمى زمن التنشيط. ومقلوب هذا الزمن يعادل متوسط عدد التفاعلات التلقائية من المستوى المنشط في وحدة الزمن، ويسمى ذلك احتمالية التنشيط التلقائي

تتكون ذرة الكهرمانيوم من مستويين طاقيين هما E1 وE2، حيث يميل المستوى ذو الطاقة الأعلى E2 للانخفاض إلى المستوى ذو الطاقة الأدنى E1، وعندما يحدث هذا الانخفاض بشكل تلقائي، يتم إطلاق طاقة Δ تقاس بين المستويين

تسمى هذه العملية الانبعاث التلقائي، ويمكن تحديد تردد الموجة من خلال علاقة بلانك، وهي: ע= (E2-E1)/ h)

مفهوم الانبعاث المحفز

عندما تنتقل الذرة إلى مستوى طاقة اعلى وذلك بعد ان تحصل على اشعاع كهرومغناطيسي ويمدها بالطاقة لتصل إلى مستوى طاقة اعلى من مستواها الاصلي، تبقي في المستوى المثار المسموح، ولا تعود لمستوى طاقتها الاصلي بشكل تلقائي مثل الانبعاث التلقائي، إنما يصطدم بها فوتون طاقته تساوي فرق طاقة بين المستويين الموافقين للانتقال المشع بينهما للذرة، لذلك تتأثر الذرة في المستوى الطاقي الاعلى بهذا الفوتون، وتعود إلى مستوى الطاقة الاصلي، وتتناقص بذلك طاقتها الداخلية، وتصدر هذه الطاقة على شكل فوتون اضافي، وهذا الفوتون الاضافي يماثل الفوتون الوارد بالمميزات الموجية جميعها.

تتناسب قوة الانبعاث المحفز مع عدد الذرات التي تنتقل من الحالة المثارة العليا إلى الحالة الأسفل في المستوى الطاقوي، وتتناسب الفوتونات المنبعثة في الطور والاستقطاب والتردد والاتجاه، وتكون مترابطة بشكل زماني ومكاني، ويطلق على الإشعاع المنبعث بعد ذلك اسم الإشعاع المنتظم.

ارتباط الليزر والضوء بالانبعاث التلقائي والمحفز

تعتمد فكرة عمل الليزر على نظام يحتوي على عدد كبير من الذرات. يتم توجيه طاقة لهذه الذرات، مما يجعلها تنتقل من المستوى الطاقي الأدنى إلى مستوى طاقة أعلى بعد امتصاصها للطاقة. بعد أن تبقى في المستوى الطاقي الأعلى لفترة زمنية محددة، والتي تسمى زمن الاثارة، تعود الذرات إلى المستوى الأدنى قبل أن تعود إلى مستوياتها الأرضية. وخلال هذه العملية، يتم إطلاق الفوتونات، وبالتالي نحصل على عدد كبير من الفوتونات المنتقلة التي تتحرك بين مرآتين، إحداهما شبه معتمة والأخرى تعكس الضوء بشكل كبير. وبهذا نحصل على ضوء مركز يسمى الليزر، وخصائص ضوء الليزر لا تشبه أي من خصائص الضوء الأخر.

الضوء المنبعث من الليزر، يكون باتجاه واحد، ويكون شعاع الليزر عبارة عن حزمة فوتونات بمسار مستقيم، ويكون متزامن، اي ان الفوتونات جميعها تكون بنفس الطور، وتكون شدة الضوء كبيرة للغاية، فلا يوجد اختفاء للفوتونات الضوئية لانها جميعها تكون بنفس الطور، بينما الضوء العادي يكون منتشر في جميع انحاء الفراغ، ومشتت.

يتميز الانبعاث المحفز بأنه المسؤول عن خصائص الضوء في الليزر، بينما يتميز الانبعاث التلقائي بأنه المسؤول عن خصائص الضوء العادي، حيث يتم إطلاق كل فوتون بشكل عشوائي غير مترابط مع الفوتون الآخر.

خصائص الفوتونات في الانبعاث التلقائي والمحفز

تتباين خصائص الفوتونات تماما في الانبعاث التلقائي والانبعاث المحفز. يحدث الانبعاث التلقائي بدون تدخل من فوتونات أخرى، وتكون اتجاهات ومراحل الفوتونات عشوائية. أما الانبعاث المحفز، فيحدث عندما يتفاعل الإلكترون المحفز مع فوتونات أخرى. في هذه الحالة، يكون اتجاه ومرحلة الفوتون المنبعث مشابها للفوتون الأصلي الذي تسبب في عملية الانبعاث وحدث بفضله. تعد هذه الظاهرة الأكثر أهمية لتكوين مصدر ضوء عالي الاتجاه ومتماسك جدا من حيث الاتجاه والطاقة، مثل الصمام الثنائي الليزري والليزر الليفي والمكبر البصري. تبرز أهمية الانبعاث المحفز بعد الإدراك لحقيقة أن الليزر (LASER) هو اختصار لـتضخيم الضوء من خلال “الانبعاث المحفز” للإشعاع (Light Amplification by “Stimulated Emission” of Radiation).

اما الانبعاث التلقائي فهو السمة المميزة والوسيلة لجميع المصادر الضوئية التي نراها في حياتنا اليومية، كمصباح بخار الصوديوم، او بخار الزئبق او مصباح النيون العادي، وفي جميع هذه المصابيح المذكور يحدث ملايين الانتقالات من الالكترونات بشكل عشوائي دون تدخل فوتونات خارجية ، نظرًا لأن الانبعاث التلقائي للذرات يحدث بدون وجود منظم خارجي، فان الضوء المنبعث تكون فوتوناته غير مترابطة أي غير متساوية في المميزات الموجية والاطوال وتتضمن ترددات مختلفة اي اكثر من طول موجي واحد، والضوء الصادر من هذا الانبعاث التلقائي ينتقل في جميع الاتجاهات

واحدة من شروط الانبعاث المحفز هي حدوث تعداد عكسي في الإلكترونات، في حين يحدث الانبعاث التلقائي سواء كان هناك تعداد عكسي للإلكترونات أو لم يحدث.

جدول مقارنة بين الانبعاث التلقائي والمحفز