Emissione stimolata
Che cosa si intende per emissione stimolata?
L'emissione stimolata si riferisce a un processo in cui un atomo o una molecola emette un fotone (la particella di luce) quando è colpito da un altro fotone con la giusta energia. Questo processo è alla base del funzionamento dei laser.
Come ben sappiamo gli atomi possiedono dei ben definiti livelli energetici ovvero i loro elettroni possono occupare solo dei determinati livelli di energia attorno al nucleo atomico. A condizioni normali gli elettroni occupano solo i livelli a più bassa energia tra quelli messi a disposizione dal potenziale del nucleo.
Ora poiché gli elettroni sono dei fermioni e quindi obbediscono alla statistica di Fermi-Dirac, essi non possono tutti ammassarsi sullo stesso livello energetico in cui i posti per gli elettroni sono limitati. Pertanto gli elettroni occuperanno prima i livelli energeticamente più bassi e di seguito quelli a energia maggiore. Chiameremo tale condizione di occupazione dei livelli energetici più bassi da parte degli elettroni "livello fondamentale" o "ground state".
Ora facendo interagire l'atomo con radiazione elettromagnetica che fornisce energia, è possibile portare l'atomo in uno stato cosiddetto eccitato cioè è possibile fornire energia ad un elettrone che tipicamente occupa il livello energeticamente più alto che viene promosso ad un livello energetico ancora superiore.
Tale condizione avviene soltanto se il fotone in arrivo possiede un'energia pari alla differenza dei livelli energetici finale e iniziale in cui l'elettrone si sposta. Ricordando che l'energia di un fotone è pari al prodotto della costante di Planck h per la frequenza f del fotone incidente deve accadere che:
h ∙ f = E2 – E1in cui E2 il livello energetico dello stato eccitato mentre E1 è il livello dello stato fondamentale.
Questo processo prende il nome di assorbimento e se anche il fotone avesse poco più o poco meno energia rispetto alla differenza dei due livelli energetici, l'elettrone lo ignorerebbe e il fotone non sarebbe assorbito.
Una volta che l'atomo si trova allo stato eccitato esso ritornerà il più rapidamente possibile allo stato fondamentale. Il ritorno allo stato fondamentale può essere effettuato in due modi.
Il primo modo è l'emissione spontanea: l'elettrone ritorna spontaneamente dallo stato eccitato a quello fondamentale di partenza o comunque a un livello più basso emettendo un fotone di corrispondente energia pari sempre alla differenza di energia tra livello eccitato e livello fondamentale. Tale processo è molto rapido con tempi dell'ordine del nanosecondo.
La seconda possibilità è l'emissione stimolata: supponiamo che l'elettrone si trovi già sullo stato eccitato E2 ed incida sull'atomo un fotone che ha energia esattamente pari alla differenza di energia tra livello eccitato e livello fondamentale allora l'elettrone sarà stimolato a decadere su quel livello inferiore emettendo il corrispondente fotone.
Il processo di emissione stimolato porta un atomo che si trova già allo stato eccitato ed un fotone ad un atomo al livello fondamentale e a due fotoni di uguale energia.
Ma per avere una significativa amplificazione dovuta all'emissione stimolata, è necessario che più di metà degli atomi si trovino nel livello eccitato.
Ora poiché il tempo medio di residenza sul livello eccitato è dell'ordine del nanosecondo o inferiore questa condizione di popolazione del livello eccitato con così tanti atomi risulta molto difficoltosa. Tuttavia, alcuni atomi possiedono dei livelli cosiddetti metastabili compresi tra lo stato fondamentale e quello eccitato. Un livello metastabile è uno stato energetico di un atomo che ha una durata di vita più lunga rispetto ai normali stati eccitati. In altre parole, un atomo può temporaneamente rimanere in uno stato eccitato senza subire immediatamente una transizione verso uno stato di energia inferiore, come avverrebbe normalmente.
L'elettrone presente nel livello metastabile vi rimane per tempi più lunghi rispetto a quelli di residenza nel livello eccitato. È possibile allora popolare questo livello metastabile con un processo a 4 step:
- Sistema di pompaggio elettronico: fornisce elettrone sullo stato fondamentale portandolo al livello energetico eccitato superiore a quello metastabile;
- Emissione spontanea: l'elettrone decade dal livello energetico eccitato al livello metastabile, emettendo un fotone;
- Fotone incidente: nel frattempo che l'elettrone si trova sul livello metastabile arriva un altro fotone, derivante dalla diseccitazione spontanea dal livello metastabile a quello fondamentale di un altro atomo. Questo fotone, avendo la giusta quantità di energia, può stimolare la diseccitazione dell'elettrone presente sul livello metastabile;
- Emissione: l'elettrone si diseccita dal livello metastabile verso quello fondamentale emettendo un fotone che ha la stessa identica energia del fotone che ha stimolato il processo.
Se si riesce a portare almeno metà degli atomi sul livello metastabile (processo attuabile in quanto il tempo medio di decadimento su tale livello è dell'ordine dei millisecondi) si sarà attuata cosiddetta inversione di popolazione.
L'inversione di popolazione, in generale, si riferisce a una situazione in cui un sistema quantico di atomi o molecole si trova in uno stato in cui più particelle occupano uno stato energetico superiore rispetto a uno stato inferiore. Questo è in contrasto con la situazione più comune, chiamata popolazione normale, in cui le particelle occupano prevalentemente stati energetici inferiori.
L'inversione di popolazione è la condizione necessaria per avere l'amplificazione di luce. Quando alcuni degli atomi che si trovano nel livello metastabile per diseccitazione spontanea decadono emetteranno fotoni in tutte le direzioni compresa quella diretta lungo l'asse del materiale attivo cioè lungo la direzione longitudinale.
Trovandosi tale materiale attivo in una camera di risonanza inizieranno a rimbalzare avanti e indietro grazie alla presenza di due specchi di cui uno semitrasparente che permetterà al fascio ad un certo punto di poter uscire all'esterno. Rimbalzando avanti e indietro i fotoni stimoleranno la produzione di nuovi fotoni stimolati che avranno la stessa energia con un processo a cascata ed inoltre avranno la stessa direzione e lo stesso verso di propagazione del fotone stimolante.
Questo processo di emissione stimolata si propaga attraverso il materiale attivo, dando origine ad una cascata di fotoni coerenti e creando una luce laser monocolore (tutti i fotoni hanno la stessa energia), coerente (le onde hanno tutti i picchi e le valli corrispondenti) e direzionale (il raggio laser risulterà quindi molto stretto).
I materiali attivi utilizzati nei laser possono essere solidi, liquidi o gassosi, a seconda del tipo specifico di laser. Ad esempio, i laser a stato solido spesso impiegano cristalli come il rubino o il diodo di laser, mentre i laser a gas utilizzano gas come il neon o il diodo a gas. In ogni caso, il materiale attivo è essenziale per la generazione del raggio laser.
Link correlati:
Enunciato e spiegazione delle modello atomico di Dalton
Modello atomico a panettone
Studia con noi