¿Cuál es la diferencia entre emisión espontánea y estimulada?

Cuando un átomo aislado se excita en un estado de alta energía, generalmente permanece en el estado excitado por un corto tiempo antes de emitir un fotón y hacer una transición a un estado de menor energía. Este proceso fundamental se llama emisión espontánea. La emisión de un fotón es un evento altamente probabilístico; es decir, la probabilidad de que ocurra se describe mediante una probabilidad por unidad de tiempo. Para muchos estados excitados de átomos, el tiempo promedio antes de la emisión espontánea de un fotón es del orden de una billonésima de segundo.

La absorción de un fotón por un átomo también es un evento probabilístico, siendo la probabilidad por unidad de tiempo proporcional a la intensidad de la luz que cae sobre el átomo. Esta es una emisión estimulada, en la que la presencia de fotones con una energía apropiada activa un átomo en un estado excitado para emitir un fotón de energía idéntica y hacer una transición a un estado inferior. Al igual que con la absorción, la probabilidad de emisión estimulada es proporcional a la intensidad de la luz que baña el átomo.

LÁSER – “amplificación de luz por emisión estimulada de radiación” es un dispositivo que se basa directamente en el proceso de emisión estimulada. El láser, debido a las propiedades subyacentes de la emisión estimulada, es altamente monocromático, direccional y coherente. Muchas técnicas espectroscópicas modernas para sondear la estructura y dinámica atómica y molecular, así como innumerables aplicaciones tecnológicas, aprovechan estas propiedades de la luz láser.

La emisión estimulada es el proceso por el cual un fotón entrante de una frecuencia específica puede interactuar con un electrón atómico excitado (u otro estado molecular excitado), haciendo que caiga a un nivel de energía más bajo. La energía liberada se transfiere al campo electromagnético, creando un nuevo fotón con una fase, frecuencia, polarización y dirección de viaje que son idénticos a los fotones de la onda incidente. Mientras que, la Emisión pontánea S ocurre a intervalos aleatorios sin tener en cuenta el campo electromagnético ambiental.

Emision estimulada:

Emisión espontánea:

Necesitamos comenzar con la idea de los niveles de energía atómica. En química, probablemente recordarás haber hecho diagramas de átomos ‘Shell’. Los electrones colocados en círculos alrededor del átomo, dos en la primera capa, ocho en la segunda, etc.

Las capas surgen porque un electrón puede no tener cualquier valor de su energía, sino que está limitado a una serie de valores fijos. Este es un ejemplo de CUANTISACIÓN. otros efectos físicos limitan el número o los electrones que pueden ocupar un nivel de energía dado, pero eso no es importante aquí.

Ahora, consideraremos un átomo idealizado con dos niveles de energía de electrones y un electrón. (De hecho, muchos átomos reales pueden comportarse de esta manera. No es tan loco como parece al principio). El electrón puede estar en cualquiera de los dos niveles de energía, por lo tanto
Podemos hacer la analogía de una persona a la que solo se le permite pararse en una silla o en el suelo, dos niveles definidos. Si el electrón está en el nivel superior, puede caer al nivel inferior. Al hacerlo, debe renunciar a una cantidad de energía igual a la diferencia de energía entre los dos niveles. Esta es la ley de conservación de la energía que se aplica. Esta energía se entrega en forma de luz.

La luz también está cuantizada. Se puede representar como grupos de fotones. Cada fotón lleva un cuanto de energía luminosa. La cantidad de energía en un cuanto depende de la longitud de onda (color) de la luz.
Entonces vemos que una longitud de onda corta como la luz azul a 470 nm tiene una alta energía, y la luz roja a 670 nm tiene una baja energía por fotón.

Todo eso no es una explicación para entender, sino una declaración para creer. El punto importante es que la longitud de onda de la luz está vinculada a la energía de un fotón de una manera definida. Así, nuestro electrón en el átomo idealizado que ha emitido un fotón de energía definida emite luz de una longitud de onda o ‘color’ definido.

Esto se ve en las luces de la calle. Contienen átomos de sodio que toman energía eléctrica para mover sus electrones a niveles más altos, estos electrones vuelven a caer al estado inicial, más bajo, dando a la luz a 589 nm el naranja característico de las luces de la calle.

Este proceso se conoce como EMISIÓN ESPONTÁNEA. El átomo emite luz espontáneamente, sin influencias externas. Sin embargo, si el átomo no está aislado, pueden ocurrir otros efectos. Los fotones de la misma energía que la energía del nivel superior pueden usar su energía para mover un electrón desde el nivel inferior al superior. Esto se conoce como ABSORBCIÓN, ya que el fotón se destruye en el proceso. Si un fotón de la energía correcta pasa un átomo con su electrón en el nivel superior, entonces puede hacer que el electrón caiga al nivel inferior. Esta EMISIÓN ESTIMULADA es muy diferente de la emisión espontánea. En el proceso espontáneo, el fotón puede viajar en cualquier dirección y ser emitido en cualquier momento, sin embargo, la emisión estimulada hace que el fotón emitido viaje en la misma dirección que el fotón que pasa y al mismo tiempo.
Ahora finalmente llegamos a los láseres. LASER es un acrónimo de amplificación de luz por la emisión estimulada de radiación. Es por eso que he tenido que explicar todo sobre la emisión estimulada. Los tres procesos sobre todo suceden si tenemos un grupo de N átomos, algunos de los cuales (N2) tienen sus electrones en el nivel superior y algunos (N1) con sus electrones en el nivel inferior. En un láser queremos que la emisión estimulada sea el mayor efecto (como lo indica el acrónimo). Veamos entonces la velocidad a la que ocurre cada proceso:
Emisión espontánea.

Esto solo depende de que el electrón esté en el nivel superior. Una cierta proporción (llámese a) de los electrones de nivel superior emitirá en un tiempo dado, por lo tanto:

Tasa espontánea = a N2

Considere una situación hipotética:

Un electrón en un átomo en estado fundamental con energía E1. Ahora este electrón se lleva a un estado excitado con energía E2.

En circunstancias normales, a su debido tiempo este electrón volverá a su estado fundamental liberando la diferencia de energía (E2-E1) como un fotón. Pero este fotón liberado será aleatorio sin dirección específica y en ningún momento específico. Entonces, esta emisión del fotón es una emisión espontánea.

Ahora, suponga que en este estado excitado del átomo, un fotón con energía (E2-E1) incide en él. Ahora, este fotón incidente hará que el electrón excitado emita otro fotón con energía (E2-E1) y vuelva a su estado fundamental. Pero lo interesante que sucederá aquí es que el fotón emitido tendrá exactamente todas las características del fotón incidente (dirección, fase, frecuencia, polarización, etc.). Entonces, un fotón fue incidente en el átomo excitado, y dos fotones de naturaleza idéntica emiten desde el átomo. Esta emisión se llama emisión estimulada.

Este fenómeno fue descubierto teóricamente por Einstein y luego verificado por experimentos y forma la base de LASER – Amplificación de luz por emisión estimulada de rayos.

La emisión estimulada es el proceso por el cual un fotón entrante de una frecuencia específica puede interactuar con un electrón atómico excitado (u otro estado molecular excitado), haciendo que caiga a un nivel inferior. La energía liberada se transfiere al campo electromagnético, creando un nuevo fotón con la misma fase, frecuencia, polarización y dirección de viaje que los fotones de la onda incidente. Esto contrasta con la emisión espontánea que ocurre a intervalos aleatorios sin tener en cuenta el campo electromagnético ambiental.

La emisión espontánea es el proceso por el cual un sistema cuántico como un átomo, molécula, nanocristal o núcleo en un estado excitado experimenta una transición a un estado con una energía más baja (por ejemplo, el estado fundamental) y emite cuantos de energía. La luz o la luminiscencia de un átomo es un proceso fundamental que desempeña un papel esencial en muchos fenómenos de la naturaleza y forma la base de muchas aplicaciones, como los tubos fluorescentes,

La emisión espontánea es el proceso en el que el sistema cuántico (p. Ej .: átomo) en un estado excitado, sufre un cambio y salta a un estado de energía más bajo, emitiendo cuantos de energía.
La emisión estimulada es el proceso en el que el fotón externo de cierta frecuencia reacciona con el electrón excitado en un átomo y esto produce una caída al estado de energía más baja.

Emisión espontánea
Esto solo depende de que el electrón esté en el nivel superior. Una cierta proporción (llámese a) de los electrones de nivel superior emitirá en un tiempo dado, por lo tanto:
Tasa espontánea = a N2
Absorción
Esto depende de que el electrón esté en el nivel inferior y que haya un fotón presente. Usando el número de fotones como n y la proporción de posibles interacciones que ocurren como b:
Tasa de absorción = b N1 n
Emision estimulada
Esto es lo mismo que para la absorción, pero el electrón debe comenzar en el nivel superior. :
Tasa de emisión estimulada = b N2 n

La emisión espontánea es autoemisión sin ninguna influencia de radiación por materiales radiactivos.

La emisión iniciada de una sola partícula o grupo de partículas se denomina emisión estimulada en material radiactivo.