Emisja spontaniczna

A – atom w stanie wzbudzonym (elektron na poziomie o energii E2)
B – emisja fotonu (hν)
C – atom w niskim stanie energii (elektron na poziomie E1<E2)

Emisja spontaniczna – emisja fotonów przez atom, cząsteczkę, ciecz, ciało stałe, plazmę, znajdujące się w indywidualnym stanie wzbudzonym lub kolektywnym stanie wzbudzonym (np. kondensat Bosego-Einsteina), zachodząca w sposób samorzutny, której towarzyszy przejście atomu / cząsteczki / cieczy / ciała stałego do niższego poziomu energetycznego; wiąże się z przejściami elektronów do niższych stanów orbitalnych w atomach / cząsteczkach, zmianą stanów spinowych elektronów w atomach / cząsteczkach / ciałach stałych czy też dotyczy przejść cząsteczek do niższych stanów rotacyjnych lub oscylacyjnych.

Zjawisko to odpowiada np. za świecenie rozgrzanych gazów, cieczy i ciał stałych, plazmy (gwiazdy, zorza polarna), świecenie urządzeń technicznych (żarówki, świetlówki, diody LED, itd).

Fragment widma przejść rotacyjnych trifluorojodometanu Szablon:Chem

Liczba przejść spontanicznych $d{N}_e$ ze stanu wzbudzonego do niższego stanu energetycznego w krótkim przedziale czasu $dt$ zależy proporcjonalnie od aktualnej liczby $N(t)$ cząstek w stanie wzbudzonym, tj.

$d{N}_e\propto Ndt,$

przy czym współczynnik proporcjonalności jest stałą liczbą, specyficzną dla danego przejścia w atomie / cząsteczce i nosi nazwę współczynnika emisji (stała wprowadzona przez Einsteina). Różnica $dN=N(t+dt)-N(t)$ między liczbą liczba atomów / cząsteczek na końcu czasu $dt$ i na jego początku jest liczbą ujemną ($dN=-d{N}_e$), stąd prawo emisji spontanicznej ma postać:

Wzbudzenia orbitali 3d miedzi na płaszczyźnie CuO₂ nadprzewodnika wysokotemperaturowego. Stan podstawowy (niebieski) to orbitale x²–y²; orbitale wzbudzone są w kolorze zielonym; strzałki ilustrują nieelastyczne rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego, powodujące przejścia do stanów wzbudzonych

$dN=-A_{2\to 1}Ndt,$

gdzie:

$A_{2\to 1}$ - współczynniki emisji przy przejściu z poziomu wzbudzonego 2 do poziomu 1.

Prawo zaniku stanów wzbudzonych w emisji spontanicznej

Jeśli w układzie wielu atomów / cząsteczek w stanie wzbudzonym nie następują nowe wzbudzenia, to liczba atomów / cząsteczek pozostających w stanie wzbudzenia maleje z czasem wg wzoru:

$N(t)=N_0{e}^{-A_{2\to 1}t},$

gdzie:

$N_0$ - początkowa liczba wzbudzonych atomów, w chwili $t=0.$

Współczynnik emisji jest związany z średnim czasem życia $\tau$ poziomu wzbudzonego i czasem połowicznego rozpadu $T_{1/2}$ poziomu wzbudzonego w sposób:

$A_{2\to 1}=\frac{1}{\tau }=\frac{\ln 2}{T_{1/2}}.$

przy czym przez czas połowicznego rozpadu rozumie się tu czas, po którym zostanie połowa atomów / cząsteczek w stanie wzbudzonym z początkowej liczby $N_0.$

Zjawisko zaniku stanów wzbudzonych jest opisane takim samym równaniem jak np. zjawisko rozpadu promieniotwórczego jąder atomowych, przy czym pojęcia czasu życia jąder atomowych i czasu połowicznego rozpadu jader ściśle odpowiadają pojęciom czasu życia poziomów wzbudzonych i czasu połowicznego zaniku stanów wzbudzonych.

Inne sposoby emisji promieniowania

• emisja wymuszona
• promieniowanie elektromagnetyczne cząstek obdarzonych ładunkiem podczas hamowania, przyspieszania, zmiany kierunku ruchu np. promieniowanie cyklotronowe, promieniowanie synchrotronowe, promieniowanie Czerenkowa.

Zobacz też

• laser
• widmo promieniowania

Bibliografia

• David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker Podstawy fizyki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013.

• Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Frank Laloe, Quantum Mechanics 1, Wiley J., 2006, Szablon:ISBN.

• Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Frank Laloe, Quantum Mechanics 2, Wiley J., 2006, Szablon:ISBN.