Emisja wymuszona (indukowana) zachodzi je偶eli atom znajduje si臋 w stanie wzbudzonym, to pod wp艂ywem padaj膮cego na niego fotonu o odpowiedniej, rezonansowej energii przechodzi na ni偶szy poziom energetyczny emituj膮c sw贸j w艂asny foton. Emitowany foton jest sp贸jny z fotonem wymuszaj膮cym.
Zjawisko to zosta艂o przewidziane przez Alberta Einsteina, kt贸ry zauwa偶y艂, 偶e je偶eli oddzia艂ywanie atomu z fotonem wywo艂uje poch艂oni臋cie fotonu z prawdopodobie艅stwem zale偶nym od ilo艣ci foton贸w o odpowiedniej energii, za艣 emisja wystepuje czysto swobodnie, z prawdopodobie艅stwem zale偶nym wy艂acznei od wielko艣ci charakteryzuj膮cych wzbudzony poziom energetyczny, to atom wzbudzony musi emitowa膰 foton w wyniku oddzia艂ywania z fotonem, z prawdopodobie艅stwem zale偶nym od ilo艣ci odpowiednich foton贸w, by mog艂o doj艣膰 do r贸wnowagi termodynamicznej mi臋dzy poch艂anianiem i emitowaniem foton贸w.
Emisja wymuszona jest zjawiskiem odwrotnym do poch艂aniania foton贸w przez atomy (cz膮steczki). Prawdopodobie艅stwo poch艂oni臋cia fotonu przez atom w stanie o mniejszej energii jest takie samo jak prawdopodobie艅stwo emisji wymuszonej atomu wzbudzonego, dlatego o wielko艣ci emisji/poch艂aniania o艣rodka decyduje r贸偶nica liczby atom贸w w stanie wzbudzonym i podstawowym. Zjawisko to jest podstaw膮 dzia艂ania lasera.
Emisja spontaniczna zachodzi wtedy, gdy elektrony znajduj膮ce si臋 na poziomach wzbudzonych w spos贸b spontaniczny wracaj膮 na ni偶sze poziomy energetyczne, emituj膮c przy tym fotony.
Zjawisko wyst臋puje powszechnie i odpowiada za niemal ka偶de 艣wiecenie cia艂, np. gaz贸w rozgrzanych, wzbudzonych atom贸w, cia艂 ciek艂ych i sta艂ych, a tak偶e urz膮dze艅 elektronicznych takich jak diody elektroluminescencyjne (LED).
Liczba emisji spontanicznych cia艂a, w kt贸rym w stanie wzbudzonym jest N atom贸w okre艣lona jest wzorem:
,
gdzie A21 jest sta艂ym dla danego przej艣cia w danym atomie wsp贸艂czynnikiem emisji (sta艂a wprowadzona przez Einsteina).
Przy braku nowych wzbudze艅 prowadzi to do r贸wnania okre艣lajacego liczb臋 atom贸w pozostaj膮cych w stanie wzbudzenia:
,
gdzie: N(0) pocz膮tkowa liczba wzbudzonych atom贸w , 蟿21 jest czasem 偶ycia i wi膮偶e si臋 ze wsp贸艂czynnikiem A, 蟿21 = (A21)-1.
Inne sposoby emisji foton贸w:
Teoria przej艣膰 fazowych to dziedzina fizyki znajduj膮ca si臋 na pograniczu dziedzin takich jak termodynamika fenomenologiczna, fizyka materia艂owa, chemia fizyczna, teoria pola. Jest to dziedzina zajmuj膮ca si臋 do艣wiadczalnym i teoretycznym opisem tak zwanych zjawisk krytycznych zachodz膮cych podczas przej艣膰 fazowych. Zjawiska te maja swoja wyra藕n膮 i zaskakuj膮c膮 specyfik臋, za艣 dla opisu wymagaj膮 rozwini臋cia swoistych narz臋dzi matematycznych jak teoria grupy renormalizacji. Tak偶e badania do艣wiadczalne przej艣膰 fazowych wobec wielkiej czu艂o艣ci tych zjawisk na stan otoczenia wymagaja specyficznego podej艣cia w planowaniu eksperyment贸w i ich przeprowadzaniu. Podstawow膮 zasad膮 kt贸ra konstytuuje t膮 dziedzin臋 fizyki jako samodzielny obszar badawczy jest fakt, 偶e zupe艂nie r贸偶ne substancje przejawiaja w ramach zjawisk towarzysz膮cych przej艣ciom fazowym takie samo zachowanie co jest tre艣cia hipotezy uniwersalno艣ci opisu przej艣膰 fazowych. W szczeg贸lno艣ci uniwersalne czyli niezale偶ne od materia艂u w kt贸rym dochodzi do przej艣cia fazowego s膮 wyk艂adniki krytyczne czyli stopnie nieci膮g艂o艣ci pochodnych funkcji stanu materia艂u. Wynika z tego, 偶e w analizie przej艣膰 fazowych zupe艂nie nie maja znaczenia szczeg贸艂y budowy substancji, jej sk艂ad chemiczny czy nawet detale dotycz膮ce oddzia艂ywan pomi臋dzy r贸znymi mikroskopowymi fragmentami uk艂adu.
Przej艣cia fazowe - opis fenomenologiczny - klasyfikacja przej艣膰 fazowych wg. Landaua-Ginzburga
Fenomenologiczny opis w艂asno艣ci
termodynamicznych uk艂adu rozpoczyna si臋 zwykle od podania funkcjona艂u energii swobodnej uk艂adu G. Postac tej funkcji dla skomplikowanego uk艂adu termodynamicznego jest w teorii wynikiem u艣rednienia przeprowadzonego dla skal mikroskopowych w ramach opisu uk艂adu za pomoc膮 zespo艂贸w statystycznych. Jednak w praktyce funkcjona艂 G konstruje si臋 w oparciu o zasady symetrii. Aby poda膰 jego jawna posta膰 nale偶y wybra膰 zmienn膮 dynamiczn膮 kt贸ra b臋dzie opisywa艂a zachowanie si臋 uk艂adu. W ramach teorii przej艣膰 fazowych typowym wyborem, jest tak zwany parametr porz膮dku kt贸ry wybieramy w taki spos贸b aby w fazie o wi臋kszej entropii mia艂 ni偶sze warto艣ci niz w fazie o entropii wi臋kszej. Itak dla uk艂ad贸w magnetycznych ( na przyk艂ad ferromagnetyka) typowym wyborem jest 艣rednia magnetyzacha na jednostk臋 obj臋to艣ci. Dla uk艂膮d贸w cieczowych ( na przyk艂ad podczas analizy krzepni臋cia - topienia) typowym i naturalnym wyborem jest 艣rednia g臋sto艣膰 cieczy. Dla nadprzewodnik贸w parametrem porz膮dku jest funkcja falowa pary Coopera, co prowadzi do wielko艣ci zespolonej o dwu sk艂adowych rzeczywistych, za艣 dla na przyk艂ad ciek艂ych kryszta艂贸w cholesterolowych mamy do czynienia z tensorowym parametrem porz膮dku opisuj膮cym skr臋cenie direktor贸w w p艂aszczyznach przejawiaj膮cych uporz膮dkowanie typu nematycznego.
Energia swobodna G jest ci膮g艂膮 funkcja parametr贸w w niej wystepuj膮cych to jest parametru porz膮dku, pul zewn臋trznych i temperatury. Jak si臋 jednak okazuje w punkcie przej艣cia fazowego ma ona nieokre艣lona pochodn膮, czyli sama funkcja G posiada punkt osobliwy w postaci np. ostrza. Zwykle przej艣cia fazowe analizuje sie w funkcji temperatury, jest to jednak modelowe uproszczenie. Role parametru kontrolnego mo偶e pe艂nic bowiem zar贸wno temperatura jak pole magnetyczne, st臋偶enie sk艂adnik贸w i inne.
W艂asno艣膰 ta jest podstawa klasyfikacji przej艣膰 fazowych zaproponowana pzrez Ginzburga-Landaua: wyr贸偶nia si臋 obecnie dwa rodzaje przej艣膰 fazowych:
przej艣cia fazowe nieci膮g艂e - kiedy pochodna energii swobodnej G jest nieci膮g艂a ( doznaje skoku) za艣 sama funkcja G ma osobliwo艣膰 w postaci ostrza. Dla fazy o wy偶szym parametrze porz膮dku minimum G jest realizowane za pomoca innej ga艂臋zi krzywej G ni偶 dla fazy o ni偶szych warto艣ciach tego parametru. Obie ga艂臋zie sa zszyte w punkcie przej艣cia fazowego tworz膮c ostrze. Poniewa偶 pochodna funkcjona艂u G przy zmianie temperatury to ciep艂o w艂a艣ciwe, mamy zatem do czyneinia z neici膮g艂o艣cia tej wielko艣ci co oznacza, 偶e w trakcie pzrej艣cia nastepuje wydzielanie sie energii, tak zwanego utajonego ciep艂a przej艣cia. Typowymi przyk艂adami takich pzrej艣膰 s膮 zjawiska zwi膮zane z topneiniem czy krzepni臋ciem substancji, zjawiska parowania, wrzenia itp. Tak偶e przej艣cia fazowe ferromagnetyk - paramagnetyk w obecno艣ci zewn臋trzengo pola magnetycznego s膮 przej艣ciami tego rodzaju.
przej艣cia fazowe ci膮g艂e - w tym przypadku funkcja G jest ci膮g艂a i posiada tak偶e ci膮g艂e pochodne pierwszego rz臋du co sprawia, 偶e z przej艣ciem nei jest zwi膮zana 偶adna neiciag艂o艣膰 w cieple w艂a艣ciwym a tym samym brak ciep艂a utajonego przej艣cia. Jednak druga lub kt贸ra艣 z wy偶szych pochodnych jest nieci膮g艂a ( do chwili obecnej nie zaobserwowano przej艣cia z ci膮g艂膮 2-ga pochodn膮 a nieci膮g艂膮 3-ci膮 czy wy偶sz膮). Przej艣cia takie maj膮 niezmiernie ciekawe w艂asno艣ci. Obszar oko艂o przej艣cia wykazuje istnienie olbrzymich fluktuacji parametru porz膮dku, kt贸re s膮 skorelowane ( koherentne) w olbrzymich makroskopowych obj臋to艣ciach. Typowym przyk艂adem jest tu przej艣cie w punkcie potrujnym na przyk艂ad wody, przej艣cie ferromagnetyk - paramagnetyk w punkcie Curie, przej艣cie nadprzewodnik - przewodnik i inne. Poniewa偶 brak jest utajonego ciep艂a przemiany dla dowolnej obj臋to艣ci o艣rodka brak jest jakijkolwiek bariery energetycznej pomi臋dzy fazami: moga one wsp贸艂istnei膰 i zupe艂nie p艂ynnie, bez wydatku
energii, przechodzic jedna w drug膮. To w艂a艣nie jest powodem istneinia olbrzymich fluktuacji.
Czasami mo偶na spotka膰 si臋 ze starsz膮 klasyfikacj膮 przej艣膰 fazowych pochodz膮c膮 od Ehrenfest, w kt贸rej kryterium podzia艂u, stopie艅 pochodnych nieci膮g艂ych funkcji energii swobodnej jest podobny jak w klasyfikacji powy偶szej, jednak rodzaje przej艣cia numeruje si臋 numerem nieci膮g艂ej pochodnej, a wi臋c mamy pzrej艣cia I rodzaju ( jak powy偶ej), II rodzaju ( nieci膮g艂a 2 pochodna G), II rodzaju ( nieci膮g艂a 3 pochodna G) i tak dalej. Jednak po pierwsze nie zaobserwowano przej艣膰 fazowych III rodzaju, a po drugie mia艂yby one w艂asno艣ci analogiczne do w艂asno艣ci przej艣膰 II rodzaju, co sprawia, 偶e obecnie uzywa si臋 pzredstawionej powy偶ej klasyfikacji.
Co ma wp艂yw na przej艣cie fazowe
Jak si臋 okazuje w艂asno艣ci prej艣膰 fazowych prawie zupe艂nie nie zale偶膮 od o艣rodka w kt贸rym zachodz膮. Ta zdumiewaj膮ca w艂asno艣膰 jest nazywana uniwersalno艣ci膮 i w w膮skim rozumieniu odnoszona jest do niezale偶no艣ci
wyk艂adnik贸w krytycznych od materia艂u, a w szerokim dotyczy modelu
przej艣cia w og贸lno艣ci. Wielkosciami kt贸re decyduj膮 o charakterze przej艣cia s膮 nast臋puj膮ce parametry:
wymiar d przestrzeni w kt贸rym zachodzi przej艣cie fazowe. Przej艣cia zachodz膮ce w 3 wymiarach maj膮 inne w艂asno艣ci ni偶 te kt贸re mo偶na uwa偶a膰 za 2-wymiarowe. Mechanika
statystyczna uk艂ad贸w o wi臋kszej lub r贸wnej 4 liczbie wymiar贸w przewiduje 偶e w takim przypadku teoria pola 艣redniego jest dok艂adna i nie ma potrzebu uzgl臋dniania innych przyczynk贸w w modelu.
rz膮d s tensorowy parametru porz膮dku. Dla przej艣膰 typu topnienie czy parowanie parametr porz膮dku jest skalarem (s=1): jest to 艣rednia g臋sto艣膰 na przyk艂ad fazy gazowej. Dla przej艣膰 w nadprzewodniku parametrem porz膮dku jest wektor dwu funkcji rzeczywistych (s=2), jest to cz臋艣膰 rzeczywista i urojona funkcji falowej pary Coopera. Dla ferromagnetyk贸w jest to wektor magnetyzacji 艣redniej a wi臋c s=3. W ciek艂ych kryszta艂ach opis wymaga u偶ycia tensor贸w wy偶szego rz臋du ( s=5).