การกระตุ้นคือกระบวนการที่โฟตอนที่เข้ามาของความถี่หนึ่งสามารถโต้ตอบกับอิเล็กตรอนอะตอมที่ถูกกระตุ้น (หรือสถานะโมเลกุลที่ตื่นเต้นอื่นๆ) ทำให้มันลดลงสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า พลังงานที่ปล่อยออกมาจะถูกถ่ายโอนไปยังสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้เกิดโฟตอนใหม่ที่มีเฟส ความถี่ โพลาไรซ์ และทิศทางของการเคลื่อนที่ที่เหมือนกันกับโฟตอนของคลื่นตกกระทบ และสิ่งนี้เกิดขึ้นในทางตรงกันข้ามกับการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองซึ่งทำงานเป็นช่วงสุ่มโดยไม่คำนึงถึงสนามแม่เหล็กไฟฟ้าโดยรอบ
เงื่อนไขการได้รับสารกระตุ้น
กระบวนการนี้เหมือนกันในรูปแบบการดูดกลืนของอะตอม ซึ่งพลังงานของโฟตอนที่ถูกดูดซับทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอะตอมที่เหมือนกันแต่ตรงกันข้าม: จากต่ำไปเป็นระดับพลังงานที่สูงขึ้น ในสภาพแวดล้อมปกติในสภาวะสมดุลทางความร้อน การดูดซับจะมากกว่าการปล่อยก๊าซกระตุ้น เนื่องจากมีอิเล็กตรอนในสถานะพลังงานต่ำกว่าในสถานะพลังงานที่สูงขึ้น
อย่างไรก็ตาม เมื่อมีการผกผันของประชากร อัตราการปล่อยมลพิษที่ถูกกระตุ้นจะเกินอัตราการดูดซับและการขยายแสงที่บริสุทธิ์สามารถทำได้ สื่อขยายสัญญาณดังกล่าวพร้อมกับเรโซเนเตอร์ด้วยแสงจะสร้างพื้นฐานของเลเซอร์หรือเมเซอร์ หากไม่มีกลไกป้อนกลับ เลเซอร์แอมพลิฟายเออร์และแหล่งกำเนิดแสงยิ่งยวดยังทำงานบนพื้นฐานของการปล่อยที่ถูกกระตุ้น
เงื่อนไขหลักในการได้รับการกระตุ้นคืออะไร
อิเล็กตรอนและปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีความสำคัญในการทำความเข้าใจเคมีและฟิสิกส์ของเรา ในมุมมองแบบคลาสสิก พลังงานของอิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมนั้นยิ่งใหญ่กว่าสำหรับวงโคจรที่อยู่ห่างไกลจากนิวเคลียสของอะตอม
เมื่ออิเล็กตรอนดูดซับพลังงานแสง (โฟตอน) หรือพลังงานความร้อน (โฟตอน) จะได้รับพลังงานควอนตัมของเหตุการณ์นี้ แต่การเปลี่ยนแปลงจะได้รับอนุญาตระหว่างระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องเท่านั้น เช่น สองระดับที่แสดงด้านล่าง ส่งผลให้เกิดท่อปล่อยและดูดซับ
ด้านพลังงาน
ต่อไป เราจะพูดถึงเงื่อนไขหลักในการได้รับรังสีเหนี่ยวนำ เมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้นจากระดับพลังงานที่ต่ำลงไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ไม่น่าจะเป็นเช่นนั้นตลอดไป อิเล็กตรอนที่อยู่ในสถานะตื่นเต้นสามารถสลายตัวให้ต่ำลงได้สถานะพลังงานที่ไม่ได้ถูกครอบครอง ตามเวลาคงที่ที่กำหนดลักษณะการเปลี่ยนแปลงนี้
เมื่ออิเล็กตรอนดังกล่าวสลายตัวโดยไม่มีอิทธิพลจากภายนอก ปล่อยโฟตอน สิ่งนี้เรียกว่าการปลดปล่อยโดยธรรมชาติ เฟสและทิศทางที่เกี่ยวข้องกับโฟตอนที่ปล่อยออกมานั้นเป็นแบบสุ่ม ดังนั้น วัสดุที่มีอะตอมจำนวนมากในสถานะตื่นเต้นอาจส่งผลให้เกิดการแผ่รังสีที่มีสเปกตรัมแคบ (มีศูนย์กลางอยู่ที่ความยาวคลื่นเดียวของแสง) แต่โฟตอนแต่ละตัวจะไม่มีความสัมพันธ์ของเฟสร่วมกันและจะถูกปล่อยออกมาในทิศทางแบบสุ่มด้วย นี่คือกลไกของการเรืองแสงและความร้อน
สนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกที่ความถี่ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงสามารถส่งผลกระทบต่อสถานะทางกลของควอนตัมของอะตอมโดยไม่ดูดซับ เมื่ออิเล็กตรอนในอะตอมทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงระหว่างสถานะคงที่สองสถานะ (ไม่แสดงสนามไดโพล) จะเข้าสู่สถานะการเปลี่ยนแปลงที่มีสนามไดโพลและทำหน้าที่เหมือนไดโพลไฟฟ้าขนาดเล็กที่สั่นที่ความถี่เฉพาะ
ในการตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าภายนอกที่ความถี่นี้ ความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนอิเล็กตรอนไปยังสถานะดังกล่าวจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ดังนั้นอัตราการเปลี่ยนระหว่างสถานะนิ่งสองสถานะจึงเกินขนาดของการปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นเอง การเปลี่ยนสถานะพลังงานที่สูงขึ้นไปเป็นพลังงานต่ำจะสร้างโฟตอนเพิ่มเติมที่มีเฟสและทิศทางเดียวกันกับโฟตอนตกกระทบ นี่คือกระบวนการบังคับการปล่อยมลพิษ
เปิด
การปล่อยก๊าซกระตุ้นเป็นการค้นพบทางทฤษฎีของไอน์สไตน์ภายใต้ทฤษฎีควอนตัมแบบเก่า ซึ่งอธิบายการแผ่รังสีในรูปของโฟตอน ซึ่งเป็นควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า การแผ่รังสีดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นได้ในแบบจำลองคลาสสิกโดยไม่ต้องอ้างอิงโฟตอนหรือกลศาสตร์ควอนตัม
การปล่อยก๊าซกระตุ้นสามารถสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์โดยให้อะตอมอยู่ในสถานะพลังงานอิเล็กทรอนิกส์หนึ่งในสองสถานะ สถานะระดับล่าง (อาจเป็นสถานะพื้น) และสถานะตื่นเต้น โดยมีพลังงาน E1 และ E2 ตามลำดับ
ถ้าอะตอมอยู่ในสถานะตื่นเต้น อะตอมสามารถสลายตัวให้อยู่ในสถานะที่ต่ำกว่าผ่านกระบวนการปล่อยก๊าซธรรมชาติ โดยปล่อยความแตกต่างของพลังงานระหว่างทั้งสองสถานะเป็นโฟตอน
หรืออีกวิธีหนึ่ง ถ้าอะตอมของสถานะตื่นเต้นถูกรบกวนด้วยสนามไฟฟ้าความถี่ ν0 ก็สามารถปล่อยโฟตอนเพิ่มเติมที่มีความถี่เดียวกันและอยู่ในเฟส ซึ่งจะทำให้สนามภายนอกเพิ่มขึ้น โดยปล่อยให้อะตอมอยู่ในสถานะพลังงานต่ำ. กระบวนการนี้เรียกว่าการปล่อยก๊าซกระตุ้น
สัดส่วน
ค่าคงที่สัดส่วน B21 ที่ใช้ในสมการสำหรับกำหนดการปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นเองและที่เหนี่ยวนำเรียกว่าสัมประสิทธิ์ไอน์สไตน์ B สำหรับการเปลี่ยนแปลงนั้น ๆ และ ρ(ν) คือความหนาแน่นของการแผ่รังสีของสนามตกกระทบที่ความถี่ ν ดังนั้น อัตราการปลดปล่อยก๊าซจึงเป็นสัดส่วนกับจำนวนอะตอมในสถานะตื่นเต้น N2 และความหนาแน่นของโฟตอนตกกระทบ นั่นคือสาระสำคัญปรากฏการณ์ของการปล่อยก๊าซกระตุ้น
ในขณะเดียวกัน กระบวนการดูดกลืนอะตอมก็จะเกิดขึ้น ซึ่งจะดึงพลังงานออกจากสนาม ยกอิเล็กตรอนจากสถานะล่างขึ้นสู่ด้านบน ความเร็วถูกกำหนดโดยสมการที่เหมือนกันเป็นหลัก
ดังนั้น กำลังสุทธิจะถูกปล่อยสู่สนามไฟฟ้าเท่ากับพลังงานของโฟตอน h คูณด้วยอัตราการเปลี่ยนแปลงสุทธินี้ เพื่อให้เป็นจำนวนบวกซึ่งบ่งชี้ถึงการปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติและทั้งหมด จะต้องมีอะตอมในสถานะตื่นเต้นมากกว่าในระดับที่ต่ำกว่า
ความแตกต่าง
คุณสมบัติของการปล่อยรังสีที่ถูกกระตุ้นเมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงทั่วไป (ซึ่งขึ้นอยู่กับการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง) คือโฟตอนที่ปล่อยออกมามีความถี่ เฟส โพลาไรซ์ และทิศทางของการแพร่กระจายเดียวกันกับโฟตอนตกกระทบ ดังนั้นโฟตอนที่เกี่ยวข้องจึงเชื่อมโยงกัน ดังนั้นในระหว่างการผกผัน การขยายแสงของรังสีตกกระทบจึงเกิดขึ้น
การเปลี่ยนแปลงพลังงาน
แม้ว่าพลังงานที่เกิดจากการปล่อยรังสีที่ถูกกระตุ้นจะอยู่ที่ความถี่ที่แน่นอนของสนามที่กระตุ้นก็ตาม คำอธิบายข้างต้นของการคำนวณความเร็วจะใช้เฉพาะกับการกระตุ้นที่ความถี่แสงเฉพาะ ความแรงของการกระตุ้น (หรือเกิดขึ้นเอง) การปล่อยจะลดลงตามที่เรียกว่ารูปร่างเส้น พิจารณาเฉพาะการขยายที่สม่ำเสมอซึ่งส่งผลต่อการสั่นพ้องของอะตอมหรือโมเลกุล ฟังก์ชันรูปร่างเส้นสเปกตรัมถูกอธิบายว่าเป็นการแจกแจงแบบลอเรนซ์
ดังนั้น การปล่อยที่ถูกกระตุ้นจึงลดลงด้วยสิ่งนี้ค่าสัมประสิทธิ์ ในทางปฏิบัติ การขยายไลน์เชปอันเนื่องมาจากการขยายแบบไม่เอกพันธ์สามารถเกิดขึ้นได้ สาเหตุหลักมาจากผลกระทบของดอปเปลอร์ซึ่งเป็นผลมาจากการกระจายของความเร็วในก๊าซที่อุณหภูมิหนึ่ง ซึ่งมีรูปร่างแบบเกาส์เซียนและลดความแรงสูงสุดของฟังก์ชันรูปร่างเส้น ในปัญหาในทางปฏิบัติ ฟังก์ชัน lineshape ที่สมบูรณ์สามารถคำนวณได้โดยการรวมฟังก์ชัน lineshape ที่เกี่ยวข้องกัน
การกระตุ้นให้เกิดกลไกทางกายภาพสำหรับการขยายสัญญาณด้วยแสง หากแหล่งพลังงานภายนอกกระตุ้นมากกว่า 50% ของอะตอมในสถานะพื้นดินให้เปลี่ยนเป็นสถานะตื่นเต้น สิ่งที่เรียกว่าการผกผันของประชากรจะถูกสร้างขึ้น
เมื่อแสงที่มีความถี่ที่เหมาะสมเคลื่อนผ่านตัวกลางที่กลับด้าน โฟตอนจะถูกดูดซับโดยอะตอมที่ยังคงอยู่ในสถานะพื้นหรือกระตุ้นอะตอมที่ถูกกระตุ้นเพื่อปล่อยโฟตอนเพิ่มเติมที่มีความถี่ เฟส และทิศทางเดียวกัน เนื่องจากมีอะตอมในสถานะตื่นเต้นมากกว่าในสถานะพื้นดิน ผลลัพธ์ก็คือความเข้มของอินพุตที่เพิ่มขึ้น
การดูดกลืนรังสี
ในทางฟิสิกส์ การดูดกลืนรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นวิธีที่พลังงานของโฟตอนถูกดูดกลืนโดยสสาร ซึ่งมักจะเป็นอิเล็กตรอนของอะตอม ดังนั้นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นพลังงานภายในของตัวดูดซับ เช่น ความร้อน การลดความเข้มของคลื่นแสงที่แพร่กระจายในตัวกลางเนื่องจากการดูดกลืนโฟตอนบางส่วนมักเรียกว่าการลดทอน
การดูดกลืนคลื่นปกติไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของพวกมัน (การดูดกลืนเชิงเส้น) แม้ว่าภายใต้เงื่อนไขบางประการ (โดยปกติในทัศนศาสตร์) สื่อจะเปลี่ยนความโปร่งใสขึ้นอยู่กับความเข้มของคลื่นที่ส่งและการดูดกลืนที่อิ่มตัว
มีหลายวิธีในการวัดว่ารังสีถูกดูดกลืนในสภาพแวดล้อมที่กำหนดได้เร็วและมีประสิทธิภาพเพียงใด เช่น สัมประสิทธิ์การดูดกลืนและปริมาณอนุพันธ์ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด
ปัจจัยลดทอน
คุณสมบัติลดทอนหลายประการ:
- ปัจจัยลดทอน ซึ่งบางครั้ง แต่ก็ไม่เสมอไป มีความหมายเหมือนกันกับปัจจัยดูดกลืน
- ความสามารถในการดูดกลืนกรามเรียกว่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์ของฟันกราม มันคือค่าการดูดกลืนแสงหารด้วยโมลาริตี
- ปัจจัยการลดทอนมวลคือปัจจัยการดูดกลืนหารด้วยความหนาแน่น
- ภาคตัดขวางการดูดกลืนและกระเจิงสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับสัมประสิทธิ์ (การดูดกลืนและการลดทอนตามลำดับ)
- การสูญพันธุ์ในทางดาราศาสตร์เทียบเท่ากับปัจจัยหน่วง
คงที่สำหรับสมการ
มาตรการอื่นๆ ของการดูดกลืนรังสี ได้แก่ ความลึกของการแทรกซึมและผลกระทบของผิวหนัง ค่าคงที่การแพร่กระจาย ค่าคงที่การลดทอน ค่าคงที่ของเฟสและจำนวนคลื่นเชิงซ้อน ดัชนีการหักเหของแสงเชิงซ้อนและค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์ การอนุญาติเชิงซ้อน ความต้านทานไฟฟ้าและการนำไฟฟ้า
การดูดซึม
การดูดซึม (เรียกอีกอย่างว่าความหนาแน่นของแสง) และการมองเห็นความลึก (เรียกอีกอย่างว่าความหนาเชิงแสง) เป็นสองมาตรการที่สัมพันธ์กัน
ปริมาณทั้งหมดเหล่านี้วัดอย่างน้อยก็ในระดับหนึ่งว่าตัวกลางดูดซับรังสีได้มากแค่ไหน อย่างไรก็ตาม ผู้ปฏิบัติงานในสาขาและวิธีต่างๆ มักใช้ค่าต่างๆ ที่นำมาจากรายการด้านบน
การดูดกลืนของวัตถุจะระบุปริมาณแสงที่ตกกระทบที่วัตถุดูดกลืน (แทนที่จะเป็นการสะท้อนหรือการหักเหของแสง) ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติอื่นๆ ของวัตถุผ่านกฎหมาย Beer–Lambert
การวัดค่าการดูดกลืนแสงที่แม่นยำที่ความยาวคลื่นหลายช่วงทำให้สามารถระบุสารโดยใช้สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสง โดยที่ตัวอย่างจะส่องสว่างจากด้านใดด้านหนึ่ง ตัวอย่างบางส่วนของการดูดกลืนแสง ได้แก่ สเปกโทรสโกปีอัลตราไวโอเลตที่มองเห็นได้ อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี และสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนรังสีเอกซ์
แอปพลิเคชัน
การทำความเข้าใจและการวัดการดูดกลืนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและรังสีเหนี่ยวนำมีการใช้งานมากมาย
เมื่อแจก เช่น วิทยุ จะนำเสนอให้พ้นสายตา
การกระตุ้นด้วยเลเซอร์ก็รู้กันดี
ในด้านอุตุนิยมวิทยาและภูมิอากาศ อุณหภูมิโลกและท้องถิ่นส่วนหนึ่งขึ้นอยู่กับการดูดกลืนรังสีจากก๊าซในบรรยากาศ (เช่น ภาวะเรือนกระจก) เช่นเดียวกับพื้นผิวดินและมหาสมุทร
ในทางการแพทย์ รังสีเอกซ์จะถูกดูดซึมในระดับที่แตกต่างกันโดยเนื้อเยื่อต่างๆ (โดยเฉพาะกระดูก) ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการถ่ายภาพรังสี
ยังใช้ในเคมีและวัสดุศาสตร์อีกด้วยวัสดุและโมเลกุลจะดูดซับรังสีในระดับต่างๆ กันที่ความถี่ต่างกัน ทำให้สามารถระบุวัสดุได้
ในเลนส์ แว่นกันแดด ฟิลเตอร์สี สีย้อม และวัสดุอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกัน ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษโดยคำนึงถึงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ซึ่งดูดซับได้และในสัดส่วนเท่าใด โครงสร้างของแก้วขึ้นอยู่กับสภาวะที่ปล่อยก๊าซเรือนกระจกออกมา
ในทางชีววิทยา สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงต้องการแสงที่มีความยาวคลื่นที่เหมาะสมเพื่อดูดซับในบริเวณแอคทีฟของคลอโรพลาสต์ นี่เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้สามารถแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมีภายในน้ำตาลและโมเลกุลอื่นๆ
เป็นที่ทราบกันดีในทางฟิสิกส์ว่าบริเวณ D ของบรรยากาศรอบนอกของโลกดูดซับสัญญาณวิทยุที่ตกลงไปในสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงและสัมพันธ์กับการแผ่รังสีเหนี่ยวนำอย่างมีนัยสำคัญ
ในฟิสิกส์นิวเคลียร์ การดูดกลืนรังสีนิวเคลียร์สามารถใช้วัดระดับของเหลว การวัดความหนาแน่น หรือการวัดความหนาได้
การประยุกต์ใช้รังสีเหนี่ยวนำหลักคือเครื่องกำเนิดควอนตัม เลเซอร์ อุปกรณ์ออปติคัล
