انبعاث محفز

الاصدار المحفز Stimulated emmission في علم الضوء والفيزياء الذرية هو عملية تصدر خلالها الذرة فوتونا بتأثير فوتون خارجي بالمواصفات المناسبة يحثها على الهبوط إلى حالة كمومية منخفضة. ويبقى الفوتون المؤثر خلال تلك العملية محتفظا بخصائصه ولا يتغير وفي نفس الوقت يصدر الفوتون الثاني ويكون له نفس خصائص الفوتون المؤثر من وجهة أن يكون له نفس التردد ونفس الطور الموجي ونفس الاستقطاب ونفس الاتجاه . فإذا أمكن أن تنعكس الفوتونات الناتجة بحيث أن تتخلل نفس النوع من الذرات أو الوسط المصدر للفوتونات مرات عديدة ينتج عن ذلك شلال من الفوتونات المتماثلة ، وهذا هو الليزر .

هذه الظاهرة يمكن تفسيرها بميكانيكا الكم كما يمكن تفسيرها بالميكانيكا الكلاسيكية بتأثير المجال الكهرومغناطيسي . وتعتبر تلك العملية عملية تضخيم ضوئية ينتج عنها أشعة الليزر والمازر .

تفسير الظاهرة

يشكل التآثر بين الغلكترونات و المجال الكهرومغناطيسي من الأعمدة التي تساعدنا على فهم الكيمياء والفيزياء . فالألكترونات تحمل طاقة تعتمد على بعدها عن النواة في الذرة . إلا أن الظاهرة الكمومية تسمح للإلكتروناب أتخاذ مستويات محددة للطاقة في المدارات (كما هو موضح في الشكل):

يبين هذا الشكل من اليسار إلى اليمين مراحل إثارة الذرة بفوتون قادم من الخارج و توجد الذرة في حالة إثارة ، حيث يشغل أحد إلكتروناتها مستوي عاليا من مستويات الطاقة E2 . وطبقا لما وجده العالم بأولى وصاغه في مبدئه المعروف ب مبدأ باولي للاستبعاد أن لإلكترونات في الذرة لا تشعل كلها مدارا أو غلافا واحدا في الذرة وإنما تتوزع في مدارات بعضها فوق البعض . والمدارات الخارجية في الذرة تحمل طاقات أعلى . وعندما يكتسب إلكترونا من إلكترونات الذرة طاقة عن طريق امتصاص ضوء (فوتون) أو حرارة (فونون) فإنه يبتعد عن النواة ويشغل أحد المدارات العليا ذات طاقة محددة أكبر. وهذا يؤدي إلى إصدار فوتون يظهر لنا في المطياف في هيئة خط من الضوء ذي لون محدد ،يعتمد على طاقة الفوتون (تردد الشعاع ).

ووجود الإلكترون في تلك الحالة المثارة لاتستمر طويلا ، فسرعان ما يقفز إلى مداره الأصلى وفي المتوسط يبقى الإلكترون في الحالة الإثارة لمدة تُعرف بنصف العمر حيث يقفز خلالها نصف عدد الإلكترونات المثارة إلى مداراتهم الأصلية ، وهذا يعرف بالتحلل الإشعاعي . وخلال ذلك التحلل ونزول الإلكترون من الحالة المثارة E2 إلى حالته العادية E1 يصدر الإلكترون فرق طاقتي الحالتين في هيئة فوتون أو فونون . فإذا نجحنا في إثارة عدد كبير من الإلكترونات وتركناهم لفترة زمنية ، يكون اصدارهم لفوتونات لها نفس التردد أو نفس طول الموجة ، ولكنهم لن يكونوا نفس الطور الموجي .

وإذا أثرنا على الذرات بفوتونات خارجية (مثل مجال كهرومغناطيسي خارجي) فإن ذلك التأثير يعمل على تحفيز الإلكترونات للقفز إلى المستوي المنخفض للطاقة E1 . وعندما تفعل ذلك في وجود الفوتون الخارجي فهي تصدر الفوتونات بحيث يكون لها نفس الطور الموجي للفوتون المؤثر أو المحفز (يكونان في حالة رنين ). وهذا هو الإصدار المحفز .

معدل الإصدار المحفز

نبدأ صياغة المعادلة التي تصف الإصدار المحفز باعتبار إحدى الذرات التي يمكنها اتخاذ حالتين لطاقة الإلكترونات : أحدهما الحالة الأرضية E1 ، والأخرى الحالة المثارة E2 . فإذا وجدت الذرة في حالة الإثارة فقد تتحلل باصدار فوتونا تلقائيا ، بحيث يحمل الفوتون فرق طاقتي الحالتين ، أي يكون تردد موجته ν وطاقته h.ν حسب العلاقة :

$E_{2}-E_{1}=h\nu$

حيث :

h ثابت بلانك

ومن ناحية أخرى إذا أثرنا على الذرة المثارة بواسطة المجال الكهرومغناطيسي لفوتون من الخارج ، بحيث يكون الفوتون الخارجي له نفس التردد ν فهي تصدر فوتونا آخرا بنفس تردد الفوتون المؤثر ويكون الإثنان في نفس الطور الموجي (إصدار محفز ).

وبافتراض مجموعة من الذرات المثارة N يكون معدل الإصدار المحفز :

${\frac {\partial N}{\partial t}}=-B_{21}\rho (\nu )N$

حيث:

B₂₁ ثابت التناسب لهذا الانتقال بعينه ويسمى معامل B لأينشتين ،

( ρ(ν كثافة الإشعاع لفونونات ذات تردد ν .

أي أن معدل الإصدار يتناسب تناسبا طرديا مع عدد الذرات الموجودة في حالة إثارة وعدد الفوتونات المؤثرة.

وقد استغلت تلك الظاهرة في تضخيم الأشعة واصدارها بكثافة كبيرة مثلما يحدث في الليزر.

انظر أيضا

• ضوء
• اشعاع تلقائي
• الليزر