उत्तेजित उत्सर्जन वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक निश्चित आवृत्ति का एक आने वाला फोटॉन एक उत्तेजित परमाणु इलेक्ट्रॉन (या अन्य उत्तेजित आणविक अवस्था) के साथ बातचीत कर सकता है, जिससे यह निम्न ऊर्जा स्तर तक गिर जाता है। जारी ऊर्जा को विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में स्थानांतरित किया जाता है, एक चरण, आवृत्ति, ध्रुवीकरण और गति की दिशा के साथ एक नया फोटॉन बनाता है जो घटना तरंग के फोटॉन के समान होता है। और यह स्वतःस्फूर्त विकिरण के विपरीत होता है, जो आसपास के विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र को ध्यान में रखे बिना, यादृच्छिक अंतराल पर काम करता है।
उत्तेजित उत्सर्जन प्राप्त करने की शर्तें
प्रक्रिया परमाणु अवशोषण के रूप में समान है, जिसमें अवशोषित फोटॉन की ऊर्जा एक समान लेकिन विपरीत परमाणु संक्रमण का कारण बनती है: निम्न से सेउच्च ऊर्जा स्तर। थर्मल संतुलन में सामान्य वातावरण में, अवशोषण उत्तेजित उत्सर्जन से अधिक होता है क्योंकि उच्च ऊर्जा वाले राज्यों की तुलना में कम ऊर्जा वाले राज्यों में अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं।
हालांकि, जब जनसंख्या उलटा मौजूद होता है, तो उत्तेजित उत्सर्जन की दर अवशोषण की दर से अधिक हो जाती है और शुद्ध ऑप्टिकल प्रवर्धन प्राप्त किया जा सकता है। इस तरह का एक प्रवर्धक माध्यम, एक ऑप्टिकल गुंजयमान यंत्र के साथ, एक लेज़र या एक मेज़र का आधार बनाता है। एक प्रतिक्रिया तंत्र की कमी, लेजर एम्पलीफायर और सुपरल्यूमिनसेंट स्रोत भी उत्तेजित उत्सर्जन के आधार पर काम करते हैं।
उत्तेजित उत्सर्जन प्राप्त करने के लिए मुख्य शर्त क्या है?
इलेक्ट्रॉनों और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के साथ उनकी बातचीत रसायन विज्ञान और भौतिकी की हमारी समझ में महत्वपूर्ण हैं। शास्त्रीय दृष्टिकोण में, परमाणु नाभिक के चारों ओर घूमने वाले इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा परमाणु नाभिक से दूर की कक्षाओं के लिए अधिक होती है।
जब एक इलेक्ट्रॉन प्रकाश ऊर्जा (फोटॉन) या ऊष्मा ऊर्जा (फोनोन) को अवशोषित करता है, तो उसे यह घटना ऊर्जा की मात्रा प्राप्त होती है। लेकिन असतत ऊर्जा स्तरों के बीच ही संक्रमण की अनुमति है, जैसे कि नीचे दिखाए गए दो। इसके परिणामस्वरूप उत्सर्जन और अवशोषण लाइनें होती हैं।
ऊर्जा पहलू
अगला, हम प्रेरित विकिरण प्राप्त करने की मुख्य स्थिति के बारे में बात करेंगे। जब एक इलेक्ट्रॉन निम्न से उच्च ऊर्जा स्तर तक उत्तेजित होता है, तो उसके हमेशा के लिए उस तरह रहने की संभावना नहीं है। उत्तेजित अवस्था में एक इलेक्ट्रॉन निम्नतम तक क्षय हो सकता हैऊर्जा राज्य जो कब्जा नहीं है, एक निश्चित समय के अनुसार इस संक्रमण को निरंतर चिह्नित करता है।
जब ऐसा इलेक्ट्रॉन बिना बाहरी प्रभाव के क्षय हो जाता है, एक फोटान उत्सर्जित करता है, इसे सहज उत्सर्जन कहा जाता है। एक उत्सर्जित फोटान से संबद्ध प्रावस्था और दिशा यादृच्छिक होती है। इस प्रकार, ऐसी उत्तेजित अवस्था में कई परमाणुओं वाली सामग्री के परिणामस्वरूप विकिरण हो सकता है जिसमें एक संकीर्ण स्पेक्ट्रम होता है (प्रकाश की एक तरंग दैर्ध्य के आसपास केंद्रित होता है), लेकिन व्यक्तिगत फोटॉनों में सामान्य चरण संबंध नहीं होंगे और यादृच्छिक दिशाओं में भी उत्सर्जित होंगे। यह प्रतिदीप्ति और ऊष्मा उत्पन्न करने की क्रियाविधि है।
संक्रमण से जुड़ी आवृत्ति पर बाहरी विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र बिना अवशोषण के परमाणु की क्वांटम यांत्रिक अवस्था को प्रभावित कर सकता है। जब एक परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन दो स्थिर अवस्थाओं के बीच संक्रमण करता है (इनमें से कोई भी एक द्विध्रुवीय क्षेत्र नहीं दिखाता है), यह एक संक्रमण अवस्था में प्रवेश करता है जिसमें एक द्विध्रुवीय क्षेत्र होता है और एक छोटे विद्युत द्विध्रुव की तरह कार्य करता है जो एक विशिष्ट आवृत्ति पर दोलन करता है।
इस आवृत्ति पर एक बाहरी विद्युत क्षेत्र की प्रतिक्रिया में, ऐसी स्थिति में इलेक्ट्रॉन संक्रमण की संभावना काफी बढ़ जाती है। इस प्रकार, दो स्थिर अवस्थाओं के बीच संक्रमण की दर स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन के परिमाण से अधिक हो जाती है। उच्च से निम्न ऊर्जा अवस्था में संक्रमण एक ही चरण और दिशा के साथ घटना फोटॉन के रूप में एक अतिरिक्त फोटॉन बनाता है। यह जबरन उत्सर्जन प्रक्रिया है।
उद्घाटन
उत्तेजित उत्सर्जन पुराने क्वांटम सिद्धांत के तहत आइंस्टीन की सैद्धांतिक खोज थी, जिसमें विकिरण को फोटॉन के रूप में वर्णित किया गया है, जो विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के क्वांटा हैं। इस तरह के विकिरण फोटॉन या क्वांटम यांत्रिकी के संदर्भ के बिना शास्त्रीय मॉडल में भी हो सकते हैं।
उत्तेजित उत्सर्जन को गणितीय रूप से एक परमाणु दिया जा सकता है जो दो इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा अवस्थाओं में से एक में हो सकता है, एक निम्न स्तर की अवस्था (संभवतः एक जमीनी अवस्था) और एक उत्तेजित अवस्था, क्रमशः E1 और E2 ऊर्जा के साथ।
यदि कोई परमाणु उत्तेजित अवस्था में है, तो यह स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन की प्रक्रिया के माध्यम से निम्न अवस्था में क्षय हो सकता है, जिससे दोनों अवस्थाओं के बीच ऊर्जा अंतर को एक फोटॉन के रूप में मुक्त किया जा सकता है।
वैकल्पिक रूप से, यदि एक उत्तेजित अवस्था परमाणु आवृत्ति 0 के विद्युत क्षेत्र से परेशान है, तो यह समान आवृत्ति और चरण में एक अतिरिक्त फोटॉन उत्सर्जित कर सकता है, जिससे बाहरी क्षेत्र में वृद्धि हो सकती है, परमाणु को कम ऊर्जा अवस्था में छोड़ दिया जा सकता है. इस प्रक्रिया को उत्तेजित उत्सर्जन के रूप में जाना जाता है।
आनुपातिकता
सहज और प्रेरित उत्सर्जन के निर्धारण के लिए समीकरणों में प्रयुक्त आनुपातिकता B21 के स्थिरांक को उस विशेष संक्रमण के लिए आइंस्टीन गुणांक B के रूप में जाना जाता है, और (ν) आवृत्ति पर घटना क्षेत्र का विकिरण घनत्व है। इस प्रकार, उत्सर्जन दर उत्तेजित अवस्था N2 में परमाणुओं की संख्या और आपतित फोटॉन के घनत्व के समानुपाती होती है। ऐसा है सारउत्तेजित उत्सर्जन की घटना।
इसी समय, परमाणु अवशोषण की प्रक्रिया होगी, जो क्षेत्र से ऊर्जा को हटाती है, इलेक्ट्रॉनों को निचली अवस्था से ऊपर की ओर उठाती है। इसकी गति अनिवार्य रूप से समान समीकरण द्वारा निर्धारित की जाती है।
इस प्रकार, एक फोटॉन की ऊर्जा के बराबर एक विद्युत क्षेत्र में शुद्ध शक्ति जारी की जाती है h इस शुद्ध संक्रमण दर का। इसके लिए एक सकारात्मक संख्या होने के लिए, कुल सहज और प्रेरित उत्सर्जन को इंगित करते हुए, निचले स्तर की तुलना में उत्तेजित अवस्था में अधिक परमाणु होना चाहिए।
मतभेद
पारंपरिक प्रकाश स्रोतों (जो स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन पर निर्भर करता है) की तुलना में उत्तेजित उत्सर्जन का गुण यह है कि उत्सर्जित फोटोन में घटना फोटॉन के समान आवृत्ति, चरण, ध्रुवीकरण और प्रसार की दिशा होती है। इस प्रकार, शामिल फोटॉन परस्पर सुसंगत हैं। इसलिए, व्युत्क्रम के दौरान, आपतित विकिरण का प्रकाशिक प्रवर्धन होता है।
ऊर्जा परिवर्तन
यद्यपि उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा उत्पन्न ऊर्जा हमेशा उस क्षेत्र की सटीक आवृत्ति पर होती है जो इसे उत्तेजित करती है, गति गणना का उपरोक्त विवरण केवल एक विशिष्ट ऑप्टिकल आवृत्ति पर उत्तेजना पर लागू होता है, उत्तेजित (या सहज) की ताकत रेखा के आकार के अनुसार उत्सर्जन में कमी आएगी। परमाणु या आणविक अनुनाद को प्रभावित करने वाले केवल एकसमान चौड़ीकरण को ध्यान में रखते हुए, वर्णक्रमीय रेखा आकार फ़ंक्शन को लोरेंत्ज़ वितरण के रूप में वर्णित किया गया है।
इस प्रकार उत्तेजित उत्सर्जन कम हो जाता हैगुणांक। व्यवहार में, एक निश्चित तापमान पर गैस में वेगों के वितरण के परिणामस्वरूप मुख्य रूप से डॉपलर प्रभाव के कारण, अमानवीय चौड़ीकरण के कारण लाइनशेप चौड़ीकरण भी हो सकता है। इसमें गाऊसी आकार होता है और रेखा आकार फ़ंक्शन की चरम शक्ति को कम करता है। एक व्यावहारिक समस्या में, पूर्ण लाइनशेप फ़ंक्शन की गणना अलग-अलग लाइनशेप फ़ंक्शंस को शामिल करके की जा सकती है।
उत्तेजित उत्सर्जन ऑप्टिकल प्रवर्धन के लिए एक भौतिक तंत्र प्रदान कर सकता है। यदि ऊर्जा का एक बाहरी स्रोत जमीनी अवस्था में 50% से अधिक परमाणुओं को उत्तेजित अवस्था में संक्रमण के लिए उत्तेजित करता है, तो इसे जनसंख्या उलटा कहा जाता है।
जब उपयुक्त आवृत्ति का प्रकाश एक उल्टे माध्यम से गुजरता है, तो फोटॉन या तो परमाणुओं द्वारा अवशोषित होते हैं जो जमीनी अवस्था में रहते हैं या उत्तेजित परमाणुओं को समान आवृत्ति, चरण और दिशा के अतिरिक्त फोटॉन उत्सर्जित करने के लिए उत्तेजित करते हैं। चूंकि उत्तेजित अवस्था में जमीनी अवस्था की तुलना में अधिक परमाणु होते हैं, परिणाम इनपुट तीव्रता में वृद्धि होती है।
विकिरण अवशोषण
भौतिकी में, विद्युत चुम्बकीय विकिरण का अवशोषण वह तरीका है जिसमें एक फोटॉन की ऊर्जा पदार्थ द्वारा अवशोषित होती है, आमतौर पर एक परमाणु के इलेक्ट्रॉन। इस प्रकार, विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा को गर्मी जैसे अवशोषक की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है। किसी माध्यम के कुछ फोटॉनों के अवशोषण के कारण प्रकाश तरंग के प्रसार की तीव्रता में कमी को अक्सर क्षीणन कहा जाता है।
आम तौर पर तरंग अवशोषणउनकी तीव्रता (रैखिक अवशोषण) पर निर्भर नहीं करता है, हालांकि कुछ शर्तों के तहत (आमतौर पर प्रकाशिकी में) माध्यम संचरित तरंगों की तीव्रता और संतृप्त अवशोषण के आधार पर पारदर्शिता बदलता है।
किसी दिए गए वातावरण में विकिरण कितनी जल्दी और कुशलता से अवशोषित होता है, इसे मापने के कई तरीके हैं, जैसे अवशोषण गुणांक और कुछ निकट से संबंधित व्युत्पन्न मात्रा।
क्षीणता कारक
कई क्षीणन कारक विशेषताएं:
- क्षीणन कारक, जो कभी-कभी होता है, लेकिन हमेशा नहीं, अवशोषण कारक का पर्याय।
- मोलर अवशोषण क्षमता को मोलर विलुप्त होने का गुणांक कहा जाता है। यह दाढ़ द्वारा विभाजित अवशोषण है।
- द्रव्यमान क्षीणन कारक घनत्व से विभाजित अवशोषण कारक है।
- अवशोषण और बिखरने वाले क्रॉस सेक्शन गुणांक (क्रमशः अवशोषण और क्षीणन) से निकटता से संबंधित हैं।
- खगोल विज्ञान में विलुप्त होना अवमंदन कारक के बराबर है।
समीकरणों के लिए स्थिर
विकिरण अवशोषण के अन्य उपाय हैं प्रवेश की गहराई और त्वचा का प्रभाव, प्रसार स्थिरांक, क्षीणन स्थिरांक, चरण स्थिर और जटिल तरंग संख्या, जटिल अपवर्तनांक और विलुप्त होने का गुणांक, जटिल पारगम्यता, विद्युत प्रतिरोधकता और चालकता।
अवशोषण
अवशोषण (ऑप्टिकल घनत्व भी कहा जाता है) और ऑप्टिकलगहराई (जिसे ऑप्टिकल मोटाई भी कहा जाता है) दो परस्पर संबंधित उपाय हैं।
ये सभी मात्राएँ मापती हैं, कम से कम कुछ हद तक, एक माध्यम विकिरण को कितना अवशोषित करता है। हालांकि, विभिन्न क्षेत्रों और विधियों के चिकित्सक आमतौर पर उपरोक्त सूची से लिए गए विभिन्न मूल्यों का उपयोग करते हैं।
किसी वस्तु के अवशोषण से यह पता चलता है कि वह कितना आपतित प्रकाश अवशोषित करता है (प्रतिबिंब या अपवर्तन के बजाय)। यह बीयर-लैम्बर्ट कानून के माध्यम से वस्तु के अन्य गुणों से संबंधित हो सकता है।
कई तरंग दैर्ध्य पर अवशोषण का सटीक माप अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके किसी पदार्थ की पहचान करना संभव बनाता है, जहां नमूना एक तरफ से प्रकाशित होता है। अवशोषण के कुछ उदाहरण पराबैंगनी-दृश्यमान स्पेक्ट्रोस्कोपी, अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी, और एक्स-रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी हैं।
आवेदन
विद्युत चुम्बकीय और प्रेरित विकिरण के अवशोषण को समझने और मापने के कई अनुप्रयोग हैं।
जब वितरित किया जाता है, उदाहरण के लिए, रेडियो द्वारा, इसे दृष्टि से बाहर प्रस्तुत किया जाता है।
लेजरों का उत्तेजित उत्सर्जन भी सर्वविदित है।
मौसम विज्ञान और जलवायु विज्ञान में, वैश्विक और स्थानीय तापमान आंशिक रूप से वायुमंडलीय गैसों (उदाहरण के लिए, ग्रीनहाउस प्रभाव), साथ ही भूमि और समुद्र की सतहों द्वारा विकिरण के अवशोषण पर निर्भर करते हैं।
चिकित्सा में, एक्स-रे विभिन्न ऊतकों (विशेष रूप से, हड्डी) द्वारा अलग-अलग डिग्री तक अवशोषित होते हैं, जो रेडियोग्राफी का आधार है।
रसायन विज्ञान और सामग्री विज्ञान में भी प्रयोग किया जाता है, अलग के रूप मेंसामग्री और अणु विभिन्न आवृत्तियों पर विकिरण को अलग-अलग डिग्री तक अवशोषित करेंगे, जिससे सामग्री की पहचान की जा सकेगी।
प्रकाशिकी में, धूप का चश्मा, रंग फिल्टर, रंग और अन्य समान सामग्री विशेष रूप से इस बात को ध्यान में रखने के लिए डिज़ाइन की गई हैं कि वे किस दृश्य तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करते हैं और किस अनुपात में। चश्मे की संरचना उन परिस्थितियों पर निर्भर करती है जिनमें उत्तेजित उत्सर्जन प्रकट होता है।
जीव विज्ञान में, प्रकाश संश्लेषक जीवों को क्लोरोप्लास्ट के सक्रिय क्षेत्र में अवशोषित होने के लिए उपयुक्त तरंग दैर्ध्य के प्रकाश की आवश्यकता होती है। यह आवश्यक है ताकि शर्करा और अन्य अणुओं के भीतर प्रकाश ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सके।
भौतिकी में यह ज्ञात है कि पृथ्वी के आयनमंडल का डी-क्षेत्र रेडियो संकेतों को महत्वपूर्ण रूप से अवशोषित करता है जो उच्च आवृत्ति वाले विद्युत चुम्बकीय वर्णक्रम में आते हैं और प्रेरित विकिरण से जुड़े होते हैं।
परमाणु भौतिकी में, परमाणु विकिरण के अवशोषण का उपयोग तरल स्तर, घनत्वमिति, या मोटाई माप को मापने के लिए किया जा सकता है।
प्रेरित विकिरण के मुख्य अनुप्रयोग क्वांटम जनरेटर, लेजर, ऑप्टिकल डिवाइस हैं।
