معادلة

معادلات آينشتاين لمعاملات الإشعاع

The Einstein coefficients equations describe the rates of absorption, spontaneous emission, and stimulated emission of radiation by atoms or molecules.
6 مقالات ذات صلة · 4 صيغ · 1 من عمل هنا

الوصف

في عام 1916، نشر ألبرت آينشتاين مقالاً بعنوان ’النظرية الكمومية للإشعاع‘، قدم فيه المعاملين A و B اللذين يصفان احتمالات التحولات بين مستويات الطاقة في الذرات. قبل ذلك، لم يعرف الفيزيائيون سوى الامتصاص والانبعاث التلقائي؛ تنبأ آينشتاين بعملية ثالثة هي الانبعاث المحفز. أجرى تحليلاً ثرموديناميكياً بارعاً: في وعاء يحتوي على ذرات في حالة توازن حراري، يجب أن يتوازن عدد التحولات الصاعدة والهابطة. وبتطبيق توزيع بلانك للإشعاع، استنتج أنه دون الانبعاث المحفز لا يمكن تحقيق التوازن. كما تبين أن معاملي الانبعاث المحفز والامتصاص متناسبان (مع أخذ انحلال المستويات بالاعتبار)، ويمكن التعبير عن معامل الانبعاث التلقائي من خلالهما والتردد. وضع هذا العمل الأساس النظري لاختراع الليزر بعد أربعين عاماً.

التاريخ

قدم ألبرت آينشتاين المعاملين A و B في عام 1916، معمماً قانون بلانك للإشعاع. وقبل ذلك كان بور قد اقترح نموذجاً للذرة بتحولات كمية، لكن آلية الانبعاث ظلت شبه كلاسيكية. وباستخدام آينشتاين للميكانيكا الإحصائية ومبدأ التوازن التفصيلي، أثبت ضرورة وجود الانبعاث المحفز لتوافقه مع الكهروديناميكا الكلاسيكية وطيف بلانك. لاحقاً، في عام 1927، قدم بول ديراك إثباتاً دقيقاً في إطار الكهروديناميكا الكمية لهذه المعاملات، رابطاً إياها بعناصر المصفوفة لعزم ثنائي القطب. وقد شكلت أعمال آينشتاين حافزاً لاختراع الميزر (1954، تشارلز تاونز) والليزر (1960، ثيودور ميمان).

كيف يعمل

تُستخدم معاملات آينشتاين لحساب شدة الخطوط الطيفية، وتعداد الانعكاس، والتضخيم في الأوساط الفعالة. فعلى سبيل المثال، شرط توليد الليزر: أن يتجاوز التضخيم في المسار الواحد الخسائر - وهو نتيجة مباشرة للمعادلات. حدود التطبيق: صالحة للتحولات ثنائية القطب في الغازات المتخلخلة والمجالات الضعيفة؛ أما في المجالات القوية أو التحولات الممنوعة فتتطلب تصحيحات من الكهروديناميكا الكمية.

في التطبيق

يعتمد عمل جميع الليزرات (مؤشر الليزر، مشغل الأقراص المضغوطة) والميزرات على الانبعاث المحفز. ويقوم علماء التحليل الطيفي بحساب تعداد مستويات الطاقة في الذرات داخل النجوم.

حقيقة طريفة

أطلق آينشتاين على الانبعاث المحفز اسم ’الإشعاع المستحث‘، دون أن يعلم أنه سيصبح أساساً لتقنية. ومصطلح ’ليزر‘ نفسه اختصار لعبارة ’تضخيم الضوء بالانبعاث المحفز للإشعاع‘ وهو إشارة مباشرة إلى تنبؤه.

Concept graph →

صيغ

$$\dot{n}_{\text{ion}} = \frac{L}{R \, c \, (1-f_{\text{esc}})}$$
Ionization rate equals line luminosity divided by escape fraction and emission coefficient.
ما في الصيغة
\dot{n}_{\text{ion}}متغيرionization rate per unit volume — ionization rate metre per second per cubic metre
Lمتغيرline luminosity — لمعان watt
Rمتغيرemission coefficient — emission coefficient watt per cubic metre per steradian
cمتغيرspeed of light — سرعة الضوء metre per second
f_{\text{esc}}متغيرescape fraction of ionizing photons — escape fraction
\dot{n}_{{ion}}=\frac{l_{[{oiii}]+{h}β}}{rc_{{h}β}(1-f_{{esc}})} · 2606.05323v1
$$E(B-V) = \frac{2.5}{k(\lambda_2) - k(\lambda_1)} \log_{10}\left( \frac{(F_{\lambda_1}/F_{\lambda_2})_{\text{obs}}}{(F_{\lambda_1}/F_{\lambda_2})_{\text{int}}} \right)$$
Corrects observed flux ratios for interstellar extinction using reddening curve.
ما في الصيغة
E(B-V)متغيرColor excess between B and V bands — color excess
k(λ)متغيرExtinction curve at wavelength λ — extinction curve
F_λمتغيرFlux at wavelength λ — تدفق watt per metre squared
λمتغيرWavelength — طول الموجة metre
log10مؤثرBase-10 logarithm — لوغاريتم أساس 10
e(b-v)=\frac{2.5}{k({h}β)-k({h}α)}\log_{10}(\frac{({h}α/{h}β)_{{obs}}}{2.86}) · 2606.24684
$$\varepsilon(q) = \frac{q^2}{2 S(q)}$$
Excitation energy relates to structure factor.
ما في الصيغة
\varepsilon(q)متغيرExcitation energy as a function of wavevector q — طاقة hartree
qمتغيرWavevector magnitude — wavevector inverse bohr
S(q)متغيرStatic structure factor — structure factor
\varepsilon(q)\lesssim\frac{q^2}{2s(q)} · 2607.08616
$$J = \int \sigma(\lambda) \phi(\lambda) F(\lambda) d\lambda$$
Rate constant integrates cross-section, quantum yield, and flux.
ما في الصيغة
Jمتغيرphotolysis rate constant — rate constant per second
\sigma(\lambda)متغيرabsorption cross-section as function of wavelength — مقطع عرضي square metre
\phi(\lambda)متغيرquantum yield as function of wavelength — quantum yield
F(\lambda)متغيرactinic flux as function of wavelength — photon flux per square metre per second per metre
\lambdaمتغيرwavelength — طول الموجة metre
\intمؤثرintegration over wavelength — التكامل
j=\intσ(λ)φ(λ)f(λ)dλ · 2607.15204

مقالات ذات صلة · 6

اصطياد النواة بخطاف إلكتروني: التيارات العكسية كأداة
في عام 1976، تنبأ الفيزيائيون بأن الإلكترون قد لا يمر بجوار النواة فحسب، بل يصطدم بها وينقل إليها طاقة تجعلها "ترتجف". سُمي هذا التأثير NEEC — الإثارة النووية بالتقاط الإلكترون (Nuclear Excitation by Electron Capture). لكن على مدى خمسين عامًا تقريبًا، لم يتمكنوا من رصده في التجارب. الإشارة ضعيفة جدًا، وتغرقها إلكترونات أخرى تتشتت على النواة دون التقاط. جاء الحل من جهة غير متوقعة.
الهيدروجين الكوني يلتقط الموجات الثقالية
الهيدروجين هو العنصر الأكثر انتشاراً. فذراته تشبه الهوائيات: تشع وتمتص الضوء عند ترددات محددة بدقة. تنبأ أينشتاين بأن الزمكان يمكن أن يتموج - هذه هي الموجات الثقالية.
الطاقة في مجال الجاذبية: تقريبًا كالماء في أنبوب
إذا وضعت رملًا في كوب، فسيستقر في طبقة متساوية. لكن بدلًا من الرمل، لنأخذ جسيمات غاز دقيقة: في مجال الجاذبية، لا تسقط فقط — بل كل حبة تتحرك في مسارها الخاص، وتتصادم مع جاراتها، وكل هذا الضجيج يولّد ضغطًا. أضف إلى ذلك تأثيرات النظرية النسبية — وستتغير الصورة المألوفة بشكل طفيف.
ما الذي يمسك النجم عندما يكون له ضغطان؟
البالون المطاطي في راحة اليد يرتد بالتساوي في جميع الاتجاهات. أما زجاجة المشروبات الغازية فتتصرف بشكل مختلف: فهي صلبة على طول العنق، لكنها تنضغط بسهولة عرضيًا. هكذا تقريبًا يُبنى الضغط داخل بعض النجوم — فقد لا يكون متساويًا في الاتجاهات المختلفة. تُسمى هذه النجوم بالنجوم المتباينة الخواص (anisotropic)، وقد ظل سلوكها يُوصف بطرق متفرقة حتى الآن.
البصمة الكمومية في الضوء
الضوء الذي تبعثه الذرة ليس مجرد وميض. إنه يحمل بصمة الحالة التي كانت عليها الذرة لحظة الانبعاث. أخذ الفيزيائيون كيوبتًا فائق التوصيل — ذرة اصطناعية بحجم رقاقة إلكترونية — وجعلوه يضيء في دليل موجي مفتوح، مثل مصباح في ممر طويل. ثم التقطوا كل فوتون وراقبوا كيف يتغير طوره.
حاسوب كمومي يطل على قلب جزيء الماء
جزيء الماء يشبه دمبلًا صغيرًا: ذرتا هيدروجين مرتبطتان بذرة أكسجين بزاوية. هذا الدمبل لا يبقى ثابتًا — بل يتمدد وينضغط ويدور. لكل حركة من هذه الحركات طاقة خاصة، مثل درجات سلم. لفهم كيف يمتص الماء الضوء أو يشارك في التفاعلات الكيميائية، يجب معرفة ارتفاع هذه الدرجات. الحاسوب التقليدي يحسب هذه الدرجات، لكنه سرعان ما يصطدم بجدار: عدد الحركات الممكنة يتزايد كالانهيار الجليدي.