Номер 2, страница 203 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

2. Какие характеристики имеет спонтанное излучение?

1. Что такое спонтанное и индуцированное излучение?

Излучение электромагнитных волн (фотонов) атомами происходит при их переходе из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. Существует два механизма такого излучения: спонтанное и индуцированное (вынужденное).

Спонтанное излучение — это самопроизвольный процесс испускания фотона возбужденным атомом при его переходе на более низкий энергетический уровень без какого-либо внешнего воздействия. Пусть атом находится в возбужденном состоянии с энергией $E_2$. Спустя некоторое случайное время (называемое временем жизни возбужденного состояния) он самопроизвольно переходит в основное или менее возбужденное состояние с энергией $E_1$. При этом испускается фотон с энергией, равной разности энергий этих состояний: $$ \Delta E = E_2 - E_1 = h\nu $$ где $h$ — постоянная Планка, а $\nu$ — частота излученного фотона. Этот процесс является основным источником света в большинстве привычных нам источников, таких как лампы накаливания, светодиоды или Солнце.

Индуцированное (или вынужденное) излучение — это процесс испускания фотона возбужденным атомом под действием внешнего (индуцирующего) фотона. Если на атом, находящийся в возбужденном состоянии с энергией $E_2$, падает фотон, энергия которого в точности равна разности энергий уровней $E_2$ и $E_1$ ($h\nu = E_2 - E_1$), то этот фотон стимулирует переход атома на уровень $E_1$. В результате этого перехода атом испускает второй фотон. Важнейшей особенностью является то, что испущенный фотон является точной копией фотона, вызвавшего излучение. Он имеет ту же энергию, частоту, фазу, поляризацию и направление распространения. Этот процесс лежит в основе работы лазеров (усиление света с помощью вынужденного излучения).

Ответ: Спонтанное излучение — это самопроизвольное испускание фотона возбужденным атомом, происходящее без внешнего влияния. Индуцированное излучение — это испускание фотона возбужденным атомом под действием другого, "стимулирующего" фотона, причем новый фотон является точной копией стимулирующего.

2. Какие характеристики имеет спонтанное излучение?

Спонтанное излучение от совокупности множества атомов обладает следующими основными характеристиками:

• Некогерентность: Фазы фотонов, испускаемых разными атомами, случайны и никак не связаны друг с другом. В результате суммарная электромагнитная волна не имеет постоянной фазы.
• Изотропность: Направление излучения каждого отдельного фотона случайно. Поэтому излучение происходит равномерно во всех направлениях.
• Случайная поляризация: Плоскости поляризации испускаемых фотонов ориентированы хаотично. В результате свет является неполяризованным.
• Широкий спектр (полихроматичность): Хотя частота излучения в идеале определяется формулой $\nu = (E_2 - E_1)/h$, на практике спектральная линия имеет конечную ширину. Это связано с естественной шириной линии (принцип неопределенности Гейзенберга), доплеровским уширением (из-за теплового движения атомов) и столкновительным уширением. Поэтому свет, как правило, не является строго монохроматическим.

Ответ: Спонтанное излучение является некогерентным, изотропным (ненаправленным), неполяризованным и имеет широкий спектр (полихроматично).

3. Какие характеристики имеет индуцированное излучение?

Индуцированное излучение обладает характеристиками, которые кардинально отличаются от спонтанного, так как испущенный фотон является точной копией фотона, вызвавшего переход:

• Когерентность: Все испущенные фотоны имеют одинаковую фазу, так как их фаза совпадает с фазой стимулирующих фотонов. Это приводит к возникновению когерентной световой волны (как временная, так и пространственная когерентность).
• Строгая направленность (коллимация): Испущенные фотоны распространяются в том же направлении, что и стимулирующие фотоны. Это позволяет создавать узконаправленные пучки света.
• Монохроматичность: Все испущенные фотоны имеют строго одинаковую частоту (и, соответственно, длину волны), равную частоте стимулирующих фотонов. В результате излучение получается высокомонохроматичным.
• Одинаковая поляризация: Поляризация испущенных фотонов совпадает с поляризацией стимулирующих фотонов. Если исходное излучение поляризовано, то и усиленное излучение будет иметь ту же поляризацию.

Эти свойства делают индуцированное излучение основой для создания лазеров, генерирующих мощное, когерентное, монохроматическое и узконаправленное излучение.

Ответ: Индуцированное излучение является когерентным, строго направленным, монохроматическим и имеет ту же поляризацию, что и вызвавшее его излучение.