Bevölkerungsinversion: 7 wichtige Faktoren, die damit zusammenhängen

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Was ist Bevölkerungsumkehr?

Die Populationsinversion bezieht sich auf den Zustand, in dem die Anzahl der Atome oder subatomaren Partikel, die sich in einem höheren angeregten Energieniveau befinden, größer ist als die Anzahl der Atome oder subatomaren Partikel, die sich in einem niedrigeren angeregten Energieniveau oder Bodenniveau befinden. Dieser Zustand wird als Bevölkerung bezeichnet Inversion weil, Unter normalen Bedingungen ist die Population in den Zuständen niedrigerer Energie höher als in den angeregten Zuständen. Das Konzept der Populationsinversion ist das Leitprinzip bei der Herstellung von Lasern und Masern.

Bevölkerungsumkehr
Energieniveaudiagramm der Populationsinversion.
Bildquelle: Bob Mellish CC BY-SA 3.0 Datei: Population-inversion-3level.png

Was ist Absorption?

Planck erklärte das

„Die Energie der elektromagnetischen Strahlung ist auf unteilbare Energiepakete beschränkt, die Quanten genannt werden. Jedes dieser Quanten oder Pakete hat die gleiche Energie wie das Produkt aus dem Planckschen Wirkungsquantum und der Frequenzn der Strahlung. "

Die Elektronen in den Zuständen niedrigerer Energie absorbieren externe Energie in Form von Wärme (Phononen) oder Licht (Photonen), um einen Zustand höherer Energie zu erreichen. Dies kann nur geschehen, wenn die Energiedifferenz zwischen dem Zustand hoher und niedrigerer Energie gleich ist. Im Fall von Photonen bedeutet dies, dass Teilchen eine bestimmte Lichtwellenlänge nur absorbieren können, um einen Übergang zu durchlaufen. Dieses Konzept der Lichtenergie in Form von Quanten wurde von Max Planck vorgeschlagen.

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h ist die Plancksche Konstante.
v Frequenz.
c ist die Lichtgeschwindigkeit.
λ ist die Wellenlänge.

Was ist stimulierte Emission?

Das Photon, das emittiert wird, wenn ein Elektron nach dem Auftreten der Photonenabsorption von einem Zustand höherer Energie in einen Zustand niedrigerer Energie übergeht, stimmt hinsichtlich Phase, Richtung und Wellenlänge mit den ursprünglichen Photonen überein. Dies wird als stimulierte Emission bezeichnet und ist das Hauptphänomen hinter der Arbeit von Lasern. Laser haben ein Verstärkungsmedium, das ein Material (fest, flüssig oder gasförmig) ist, das Energie von einer externen Quelle bezieht und sie den Atomen zur Verfügung stellt, um sie in ihre höheren Zustände anzuregen. Das optische Verstärkungsmedium wird hinsichtlich Form, Größe, Konzentration und Reinheit analysiert.

Was ist spontane Emission?

Das den Kern umgebende Elektron ist nicht in der Lage, für immer im höheren angeregten Zustand zu bleiben, und diese Elektronen verlieren Energie oder zerfallen, um in einen niedrigeren Energiezustand zurückzufallen. Dieser Übergang des Elektrons von einem hohen zu einem niedrigen Niveau erfolgt in separaten Zeitintervallen und die Energie wird in Form von Photonen und dem Prozess des Elektronenübergangs ohne jegliche Anwendung externer Energie emittiert. Die bei diesem Prozess emittierten Elektronen haben eine zufällige Phase und Richtung. Diese Art der Emission ist nicht in der Lage, eine kohärente Lichtausgabe hoher Intensität zu erzeugen.

Welche Beziehung besteht zwischen stimulierter Emission und Populationsinversion?

Laser haben ein optisches Verstärkungsmedium in Form eines Materials (fest, flüssig oder gasförmig), das den emittierten Photonenstrahl verstärkt. Das optische Verstärkungsmedium wird hinsichtlich Form, Größe, Konzentration und Reinheit analysiert. Eine Populationsinversion tritt auf, wenn die Anzahl der Partikel im angeregten Energieniveau größer geworden ist als die Anzahl der Partikel im niedrigeren Energieniveau nach dem stimulierten Emissionsprozess und im Fall von Lasern die Rate der stimulierten Emission die Absorptionsrate überschreitet durch das Elektron und auf diese Weise wird das emittierte Licht oder der Photonenstrahl verstärkt. Der Prozess der Amplitudenverstärkung in einem Photonenstrahl wird als optische Verstärkung bezeichnet.

1920px Stimulated Emission.svg
Diagramm der stimulierten Emissionsenergie.
Bildquelle: http://V1adis1av contribs) (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stimulated Emission.svg), https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/legalcode (Laserphysik)

Warum ist eine Bevölkerungsumkehr notwendig, um Maßnahmen zu ergreifen?

Eine Laserwirkung tritt auf, wenn eine große Anzahl von Atomen oder subatomaren Teilchen, dh Elektronen (ein Material - fest, flüssig oder gasförmig), gleichzeitig Energie in Form von Photonen freisetzen, während sie durch den Prozess der Stimulation von einem höher angeregten Zustand in einen niedrigeren Grundzustand übergehen Emission. Damit diese Aktion stattfinden kann, müssen die Atome oder subatomaren Partikel zuerst in einen Zustand höherer Energie angeregt werden, damit die stimulierte Emission folgt. Dieser Zustand wird durch Bevölkerungsinversion erreicht. Bei Lasern übersteigt die stimulierte Emissionsrate die Absorptionsrate der Elektronen. Auf diese Weise wird das emittierte Licht oder der Photonenstrahl verstärkt. Ohne Populationsinversion kann keine Laserwirkung auftreten.

Was ist Boltzmann-Distribution?

Wenn es N Atome und zwei Energiezustände gibt (Grundzustand E1 und angeregter Zustand E2). Dann kann N gegeben sein durch

N1 + N2 = N. (N1 ist die Anzahl der Atome im Grundzustand E1 und N2 ist die Anzahl der Atome im angeregten Zustand E2)

Die Energiedifferenz zwischen den beiden angeregten Zuständen ist gegeben durch

ΔE = E2 - E1 = hv12 (v12 lernen muss die Frequenz der Welle emittiert beim Übergang von E2 zu E1 & h ist die Plancksche Konstante)

Laut Maxwell-Boltzmann-Statistik befindet sich die Gruppe der Atome in Wärme Gleichgewicht, dann Verhältnis der Nr. von Atomen in jedem Zustand wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt.

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 Hier T ist die thermodynamische Temperatur der Gruppe von Atomen.
 k ist Boltzmanns Konstante.

Eine Populationsinversion tritt auf, wenn die Anzahl der Atome im angeregten Zustand N2 höher ist als die Anzahl der Atome im Grundzustand, dh N1. Aus der Gleichung können wir sagen, dass das Verhältnis von N2 / N1 nur dann größer als 1 ist, wenn die thermodynamische Temperatur T negativ ist, da E2 - E1 immer positiv sein wird.

Andere Möglichkeiten zur Erstellung einer Populationsinversion

Kohärente elektromagnetische Mikrowellenemission wird durch den Prozess der Verstärkung durch stimulierte Emission in einem Instrument namens MASER erzeugt. “Mikrowellenverstärkung durch stimulierte StrahlungsemissionDies wird durch Entfernen bestimmter Arten von Atomen aus dem System auf der Grundlage bestimmter Eigenschaftsunterschiede erreicht.

Um mehr über Laser zu erfahren Besuchen Sie hier.

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