Absorptie, gestimuleerde emissie, en spontane emissie

Stel een atoom bevindt zich in de laagste toestand $\psi_a$ en we schijnen nu gepolariseerd, monochromatisch licht op dit atoom. De waarschijnlijkheid dat het atoom een overgang maakt naar de hoogste toestand $\psi_b$ wordt gegeven door vergelijking (628). Vanwege $V_{ba} = - {\mathcal{P}}E_0$ vinden we de uitdrukking

$$P_{a \rightarrow b} (t) = \left( { \vert {\mathcal{P}} \v... ..._0 - \omega )t/2 \right]} \over ( \omega_0 - \omega )^2} .$$ (619)

In dit proces absorbeert het atoom energie $E_b - E_a = \hbar \omega_0$ van het elektromagnetische veld en we zeggen dat het atoom een foton geabsorbeerd heeft (zie Fig. 45).

Figuur 45: Drie manieren waarop licht met atomen kan wisselwerken: (a) absorptie, (b) gestimuleerde emissie, (c) spontane emissie.

We kunnen de afleiding herhalen voor een atoom dat begint in de hoogste toestand en dat vervolgens vervalt naar de laagste toestand. De waarschijnlijkheid voor die overgang is dan

$$P_{b \rightarrow a} (t) = \left( { \vert {\mathcal{P}} \v... ..._0 - \omega )t/2 \right]} \over ( \omega_0 - \omega )^2} .$$ (620)

Het resultaat is precies hetzelfde en dat is opmerkelijk: als een atoom in een aangeslagen toestand is en we schijnen er licht op, dan is de overgangswaarschijnlijkheid even groot als die voor een overgang van de grondtoestand naar de aangeslagen toestand. Dit proces heet gestimuleerde emissie en werd voor het eerst door Einstein ontdekt.

In het geval van gestimuleerde emissie verkrijgt het elektromagnetische veld een energie $\hbar \omega_0$ van het atoom. Er komt één foton in, maar er komen twee fotonen uit: het originele foton dat de overgang induceerde en een ander foton van de overgang zelf. We zien dus dat we hier een principe voor het versterken van licht hebben, want als ik een vat atomen heb, die zich allemaal in de aangeslagen toestand bevinden, en ik schijn daar één foton op, dan veroorzaakt dit een kettingreactie van uitgaande fotonen, allemaal met dezelfde frequentie en allemaal op hetzelfde moment. Op dit principe berust de werking van een laser. Hierbij is het essentieel om de meerderheid van de atomen in een aangeslagen toestand te krijgen. Dit wordt populatie inversie genoemd.

Naast absorptie en gestimuleerde emissie is er een derde mechanisme voor de interactie van licht met materie: spontane emissie. Hierbij gaat een atoom van een aangeslagen toestand over naar de grondtoestand en zendt in het proces een foton uit. Er is geen noodzaak voor een extern elektromagnetisch veld om de overgang te initiëren. Dit mechanisme vormt de grondslag voor de normale deëxcitatie van aangeslagen atomen. Op het eerste gezicht is het verre van duidelijk waarom spontane emissie op zou treden. Als het atoom zich in een stationaire toestand bevindt, ook al is dit een aangeslagen toestand, en er is geen externe verstoring, dan zou het voor altijd in die aangeslagen toestand moeten blijven. En dat is ook zo, als er echt geen externe verstoringen zouden zijn. Echter in quantum elektrodynamica zijn de velden nooit gelijk aan nul, zelfs niet in de grondtoestand. Er is altijd een nulpuntsenergie en de hiermee corresponderende elektromagnetische straling is voldoende om spontane emissie te initiëren.