مقارنة بين الانبعاث التلقائي والانبعاث المحفز

كتابة: Judy Mallah آخر تحديث: 31 يناير 2022 , 21:01

مفهوم امتصاص الطاقة

من اجل فهم معنى الانبعاث التلقائي والانبعاث المحفز والفرق بينهما، يجب معرفة المعلومات الاساسية التي تخص امتصاص الطاقة، الذرة تبقى في الحالة الارضية إن لم يكن هناك ما يسبب إثارة الذرة او تهيجها، يتم تحفيز الذرة عن طريق اشعاع كهرومغناطيسي من الحرارة او الضوء او الكهرباء له تردد يكفي من اجل نقل الذرة من المستوى التي تتواجد فيه إلى المستوى المطلوب.

يمكن نقل الذرة من السوية المستقرة إلى سوية طاقة مثارة في الاعلى، بالتالي تزداد طاقة الذرة بمقدار الطاقة التي قامت بامتصاصها كي تنتقل إلى السوية الطاقية العليا، وهذه العملية تسمى امتصاص الطاقة.

مفهوم الانبعاث التلقائي

عند تهيج ذرات المادة، وحصولها على الطاقة من اي اشعاع كهرومغناطيسي من الحرارة او الضوء او الكهرباء، تبقى الذرة في حالتها المتهيجة في المستوى الطاقي الاعلى، ثم تهبط للمستوى الطاقي الاسفل بشكل تلقائي دون ان تحتاج لمؤثر خارجي، فتعود بذلك إلى حالتها الارضية، والفترة التي تبقى بها هذه الذرة في مستوى طاقة معين غير مستوى طاقتها الاصلي يرتبط بالذرة، وبخصائص المستوى، ويدعى متوسط الزمن الذي تبقى فيه الذرة في مستوى طاقي اعلى من مستوى طاقتها الاصلية بحالة متهيجة باسم زمن الاثارة، ومقلوب المقدار الناتج يعادل متوسط عدد الانفعالات التلقائية من المستوى المتهيج في حدة الزمن، وهذا يسمى بإحتمالية الانبعاث التلقائي [1]

المستوى الطاقي الادنى هو E1 والمستوى الاعلى هو E2، وبما ان  المستوى الاعلى اكبر طاقته من الادنى، فالذرة تميل لان تهبط إلى المستوى الارضي، وإذا كان الهبوط بشكل تلقائي ينجم عنه طاقة، تقاس هذه الطاقة E1-E2 = Δ

هذه العملية تدعى بالانبعاث التلقائي، ويمكن تحديد ترديد الموجة من خلال علاقة بلانك، وهي: ע= E2-E1)/ h)

[2]

مفهوم الانبعاث المحفز

عندما تنتقل الذرة إلى مستوى طاقة اعلى وذلك بعد ان تحصل على اشعاع كهرومغناطيسي ويمدها بالطاقة لتصل إلى مستوى طاقة اعلى من مستواها الاصلي، تبقي في المستوى المثار المسموح، ولا تعود لمستوى طاقتها الاصلي بشكل تلقائي مثل الانبعاث التلقائي، إنما يصطدم بها فوتون طاقته تساوي فرق طاقة بين المستويين الموافقين للانتقال المشع بينهما للذرة، لذلك تتأثر الذرة في المستوى الطاقي الاعلى بهذا الفوتون، وتعود إلى مستوى الطاقة الاصلي، وتتناقص بذلك طاقتها الداخلية، وتصدر هذه الطاقة على شكل فوتون اضافي، وهذا الفوتون الاضافي يماثل الفوتون الوارد بالمميزات الموجية جميعها.

تتناسب شدة الانبعاث المحفز مع عدد الذرات المنتقلة من السوية المثارة العليا إلى السوية السفلية، والفوتونات الصادرة تتناسب في الطور والاستقطاب والتردد والاتجاه، كما تكون مترابطة زمانيًا ومكانيًا، والاشعاع الصادر يسمى الاشعاع المنتظم.

ارتباط الليزر والضوء بالانبعاث التلقائي والمحفز

فكرة عمل الليزر مبنية على نظام يحوي عدد كبير من الذرات، يتم تسليط طاقة على هذه الذرات، فتنتقل من المستوى الطاقي الادنى إلى مستوى ذو طاقة اعلى، ويحدث ذلك بعد امتصاص الذرات للطاقة، وبعد ان تقضي هذه الذرات فترة زمنية محددة في المستوى الطاقي الاعلى، ويسمى هذا الزمن زمن الاثارة، تعود إلى المستوى الادنى قبل ان تعود لمستوياتها الارضية، وتطلق فوتونات اثناء هذه العملية، وبالتالي نحصل على عدد كبير من الفوتونات المنتقلة التي تتنقل بين مرآتين احدهما شبه مفضضة والمرآة الاخرى تعكس الضوء بشكل كبير، فنحصل على ضوء مركز يسمى الليزر، وخصائص ضوء الليزر لا تشبه اي من خضائص الضوء الاخرى.

الضوء المنبعث من الليزر، يكون باتجاه واحد، ويكون شعاع الليزر عبارة عن حزمة فوتونات بمسار مستقيم، ويكون متزامن، اي ان الفوتونات جميعها تكون بنفس الطور، وتكون شدة الضوء كبيرة للغاية، فلا يوجد اختفاء للفوتونات الضوئية لانها جميعها تكون بنفس الطور، بينما الضوء العادي يكون منتشر في جميع انحاء الفراغ، ومشتت.

المسؤول عن خصائص الضوء في الليزر هو الانبعاث المحفز، بينما المسؤول عن خصائص الضوء العادي هو الانبعاث التلقائي، ويخرج فيه كل فوتون بشكل عشوائي غير مرتبط بالفوتون الاخر. [1]

خصائص الفوتونات في الانبعاث التلقائي والمحفز

تختلف خصائص الفوتونات بشكل كلي في الانبعاث التلقائي والانبعاث المحفز، الانبعاث التلقائي يحدث بدون تدخل الفوتونات الاخرى، والاتجاه ومرحلة الفوتونات تكون عشوائية، الانبعاث المحفز يحدث عندما يتفاعل الالكترون المحفز مع الفوتونات الاخرى، كل من اتجاه ومرحلة الفوتون في الانبعاث المحفز يكون مماثل للفوتون الاخر الذي سبب عملية الانبعاث، وحدثت بواسطته، وهي الظاهرة الأكثر أهمية من اجل تكوين مصدر ضوء عالي الاتجاه ومتماسك للغاية في الاتجاه والطاقة (مثل الصمام الثنائي الليزري والليزر الليفي والمكبر البصري)، تظهر اهمية الانبعاث المحفز بعد إدراك حقيقة أن الليزر LASER هو اختصار لتضخيم الضوء من خلال “الانبعاث المحفز” للإشعاع (Light Amplification by “Stimulated Emission” of Radiation). [4]

اما الانبعاث التلقائي فهو السمة المميزة والوسيلة لجميع المصادر الضوئية التي نراها في حياتنا اليومية، كمصباح بخار الصوديوم، او بخار الزئبق او مصباح النيون العادي، وفي جميع هذه المصابيح المذكور يحدث ملايين الانتقالات من الالكترونات بشكل عشوائي دون تدخل فوتونات خارجية ، نظرًا لأن الانبعاث التلقائي للذرات يحدث بدون وجود منظم خارجي، فان الضوء المنبعث تكون فوتوناته غير مترابطة أي غير متساوية في المميزات الموجية والاطوال وتتضمن ترددات مختلفة اي اكثر من طول موجي واحد، والضوء الصادر من هذا الانبعاث التلقائي ينتقل في جميع الاتجاهات [2]

ومن شروط الانبعاث المحفز حدوث تعداد عكس في الالكترونات، بينما الانبعاث التلقائي يحدث سواء حدث تعداد عكسي للالكترونات ام لم يحدث. [4]

جدول مقارنة بين الانبعاث التلقائي والمحفز

الانبعاث المحفز

الانبعاث التلقائي  
الانبعاث المحفز للاشعاع هو العملية التي تقوم بها الفوتونات بتوليد فوتونات اخرى لها نفس الطول الموجي ونفس المميزات الموجية، وفي هذا النمط من الانبعاث، لا ينتقل الالكترون من مستوى طاقي مثار إلى مستوى طاقي ادنى إلا بوجود محفز خارجي هو الفوتون، طاقته تساوي فرق الطاقة بين المستويين الموافقين. انتقال الالكترون من المستوى الطاقي المثار إلى المستوى الطاقي الادنى يحدث بشكل تلقائي ولا يحتاج لاي عامل خارجي كي يتم، الاشعاع الناجم عن عملية الانتقال هذه يسمى الاشعاع التلقائي كيفية الحدوث
هذه العملية اساسية من اجل تشكيل اشعة الليزر هذه العملية موجودة في المصابيح، وانابيب الفلورسنت اين توجد هذه العملية:
يتم في الليزر عملية انقلاب في التعداد، تسمى تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع. لا يوجد انقلاب في التعداد، اي ما يسمى التعداد المعكوس العمليات المرافقة
من الضروري وجود محفزات خارجية (مثل الفوتون) لتحقيق عملية الانتقال الفاعلة. لا يوجد محفزات خارجية مطلوبة [3] وجود المحفزات الخارجية

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

زر الذهاب إلى الأعلى