• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Inwersja obsadzeń

    Przeczytaj także...
    Mechanika statystyczna (lub fizyka statystyczna) to gałąź fizyki, zajmująca się układami wielu oddziałujących ciał. Specyfiką tej teorii jest jej metoda. Poszczególne ciała są bowiem opisane przez zmienne losowe. Obliczenia prowadzone w ramach mechaniki statystycznej dotyczą średnich z tych zmiennych z wykorzystaniem metod statystycznych. Fizyczną podstawą mechaniki statystycznej jest termodynamika fenomenologiczna.Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος, nazwa stworzona przez Gilberta N. Lewisa) jest cząstką elementarną, nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy, są równocześnie falą elektromagnetyczną.
    Stała Plancka (oznaczana przez h) jest jedną z podstawowych stałych fizycznych. Ma wymiar działania, pojawia się w większości równań mechaniki kwantowej.

    Inwersja obsadzeń w mechanice statystycznej – stan układu, w którym liczba cząstek o energii wyższej jest większa niż cząsteczek o energii niższej. Inwersja obsadzeń jest wykorzystana w działaniu lasera.

    Rozkład Boltzmanna[]

     Osobny artykuł: Rozkład Boltzmanna.

    Jeżeli układ statystyczny (atomów) składa się z wielu prostych układów, z których każdy może przyjmować jeden z dwóch stanów

    1. poziom podstawowy o energii E1, lub
    2. poziom wzbudzony o energii E2, przy czym E2>E1.

    Liczba atomów w stanie podstawowym jest określona przez N1, a w stanie wzbudzonym przez N2. Różnica energii między poziomami determinuje pochłonięcie lub emisję fotonu o częstości ν21 określonej wzorem

    Stała Boltzmanna – stała fizyczna pojawiająca się w równaniach określających rozkłady energii cząsteczek. Oznaczana jest symbolem k lub kB i związana jest równaniemRozkład Boltzmanna – stosowane w fizyce i chemii równanie określające sposób obsadzania stanów energetycznych przez atomy, cząsteczki lub inne indywidua cząsteczkowe (cząstki) w stanie równowagi termicznej.
    ,

    gdzie h to stała Plancka.

    Laser – urządzenie emitujące promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni, wykorzystujące zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od (ang.) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera jest spójne, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu (zob. laser femtosekundowy).

    Układ ten, zgodnie z rozkładem Boltzmanna, w temperaturze T będzie miał rozkład obsadzeń ,

    gdzie k – stała Boltzmanna, T – temperatura.

    Wnioski z rozkładu Boltzmanna:

  • W temperaturze zera bezwzględnego, wszystkie atomy znajdują się w stanie o najniższej energii
  • Wzrost temperatury powoduje wzrost liczby atomów w stanie o większej energii
  • W dowolnej temperaturze więcej atomów będzie w stanie o niższej energii , niż w stanie o wyższej energii ()
  • W pewnych warunkach możliwe jest doprowadzenie do stanu, w którym więcej atomów znajduje się w wyższym stanie wzbudzenia. Układ taki nie jest trwały i dąży do rozkładu zgodnego z rozkładem Boltzmanna. Stan taki nazywamy inwersją obsadzeń.

    Stan inwersji obsadzeń jest warunkiem pracy lasera.

    Wzór Boltzmanna (rozkład kanoniczny)[]

    Układ klasyczny mogący wymieniać energię z otoczeniem utrzymywany w temperaturze T opisany jest wzorem Boltzmanna, tj. rozkładem kanonicznym:

    gdzie P(x) – prawdopodobieństwo realizacji stanu makroskopowego przez dany stan mikroskopowy x, U(x) – energia w stanie mikroskopowym x.

    , kiedy energia jest skwantowana, wtedy zamiast całki należy zastosować sumowanie po wszystkich jej możliwych wartościach. Jest to suma statystyczna zwana również funkcją rozdziału.




    w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)

    Reklama

    Czas generowania strony: 0.035 sek.