¿Qué es el turno de Stokes y por qué ocurre?

Como se indica en el artículo de Wikipedia, un cambio de Stokes es el cambio en la frecuencia de los fotones entre la absorción de un fotón por parte de una molécula y la emisión de un fotón cuando esa molécula vuelve a su estado fundamental. Un cambio de Stokes también puede ocurrir en sólidos.

La razón por la cual ocurren los cambios de Stokes es el principio de Franck-Condon, que establece que un cambio en el estado electrónico de alguna molécula causado por la absorción de un fotón ocurre tan rápidamente que el movimiento de las coordenadas nucleares durante la transición puede ser descuidado. Una vez completada la transición electrónica, las coordenadas nucleares de la molécula se relajan en una configuración de menor energía en respuesta al cambio en la función de onda electrónica. La energía extra entra en un aumento en la energía de los modos vibratorios de la molécula. Cuando la función de onda electrónica luego experimenta una transición que devuelve a la molécula a su estado fundamental electrónico, esta transición también ocurre sin ningún cambio en las coordenadas nucleares. Por lo tanto, al final de este proceso, la molécula generalmente se deja en un estado vibratorio altamente excitado. Este aumento en la energía del estado vibracional debe compensarse mediante una reducción en la energía del fotón emitido.

El hecho de que se pueda describir el proceso de absorción y posterior emisión de un fotón de esta manera es un ejemplo de la aproximación de Born-Oppenheimer, que establece que la función de onda total de la molécula generalmente se puede separar en un producto de la onda electrónica. función y la función de onda nuclear.

Hay varios tipos de procesos ópticos donde la radiación resultante tiene una energía fotónica disminuida en comparación con la radiación entrante. Tal pérdida de energía fotónica a menudo se llama cambio de Stokes, refiriéndose al físico irlandés George G. Stokes. Se producen cambios de Stokes, p. Ej.

Cuando algún material se excita para emitir fluorescencia, la energía fotónica promedio de la luz fluorescente suele ser menor que la de la luz entrante, y la diferencia de energía produce vibraciones microscópicas (calentamiento). Sin embargo, este no es siempre el caso, vea el artículo sobre refrigeración óptica. El cambio de Stokes siempre es positivo si se define a través de los máximos de banda de absorción y emisión para una transición dada.

La energía de los fotones emitidos por un láser bombeado ópticamente suele ser menor que la de la radiación de la bomba. Los cambios de Stokes más pequeños posibles (→ defecto cuántico) para los láseres (p. Ej., Con medios de ganancia dopados con iterbio) corresponden a menos del 1% de la energía del fotón de la bomba, pero los valores más usuales están entre varios por ciento y 40%.

En los amplificadores Raman y los láseres Raman y también en dispositivos basados ​​en la dispersión de Brillouin, la energía fotónica de la luz amplificada también es menor que la de la luz de la bomba.

En la espectroscopía Raman, la mayor parte de la luz dispersa tiene una energía fotónica reducida. Algunas líneas anti-Stokes con aumento de las energías de los fotones también se pueden detectar a menudo.

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