уравнение

уравнения Эйнштейна для коэффициентов излучения

Уравнения коэффициентов Эйнштейна описывают скорости поглощения, спонтанного и вынужденного излучения радиации атомами или молекулами.
6 статей · 4 формулы · 1 учёный

Описание

В 1916 году Альберт Эйнштейн опубликовал статью «Квантовая теория излучения», где ввёл коэффициенты A и B, описывающие вероятности переходов между уровнями энергии в атомах. До этого физики знали только поглощение и спонтанное излучение; Эйнштейн предсказал третий процесс — вынужденное излучение. Он провёл остроумный термодинамический анализ: в ящике с атомами при тепловом равновесии число переходов вверх и вниз должно уравновешиваться. Подставив распределение Планка для излучения, он получил, что без вынужденного испускания баланс не сходится. Более того, оказалось, что коэффициенты вынужденного испускания и поглощения пропорциональны (с учётом вырождения уровней), а коэффициент спонтанного испускания выражается через них и частоту. Именно эта работа заложила теоретическую базу для создания лазеров сорок лет спустя.

История

Альберт Эйнштейн ввёл A и B коэффициенты в 1916 году, обобщив закон излучения Планка. До этого Бор предложил модель атома с квантовыми переходами, но механизм испускания оставался полуклассическим. Эйнштейн, применив статистическую механику и принцип детального равновесия, показал, что для совместимости с классической электродинамикой и планковским спектром необходимо существование вынужденного излучения. Позднее, в 1927 году, Поль Дирак дал строгое квантово-электродинамическое обоснование этих коэффициентов, связав их с матричными элементами дипольного момента. Работы Эйнштейна стали толчком к созданию мазеров (1954, Чарльз Таунс) и лазеров (1960, Теодор Мейман).

Как это работает

Коэффициенты Эйнштейна используются для расчёта интенсивности спектральных линий, инверсии населённостей и усиления в активных средах. Например, условие лазерной генерации: усиление за проход должно превышать потери — прямое следствие уравнений. Границы применимости: справедливы для дипольных переходов в разреженных газах и слабых полях; в сильных полях или для запрещённых переходов требуют поправок квантовой электродинамики.

Где применяется

Работа всех лазеров (лазерная указка, CD-привод) и мазеров основана на вынужденном излучении. Спектроскописты вычисляют населённости уровней атомов в звёздах.

Любопытный факт

Эйнштейн назвал вынужденное испускание «индуцированным излучением», не предполагая, что оно станет основой технологии. Сам термин «лазер» — аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — прямо отсылает к его предсказанию.

Граф понятий →

Формулы

$$\dot{n}_{\text{ion}} = \frac{L}{R \, c \, (1-f_{\text{esc}})}$$
Скорость ионизации равна светимости линии, делённой на долю вылетающих фотонов и коэффициент эмиссии.
Что в формуле
\dot{n}_{\text{ion}}переменнаяскорость ионизации на единицу объёма — ionization rate м/(с·м³)
Lпеременнаясветимость линии — светимость Вт
Rпеременнаякоэффициент эмиссии — emission coefficient Вт/(м³·ср)
cпеременнаяскорость света — скорость света м/с
f_{\text{esc}}переменнаядоля вылетающих ионизирующих фотонов — escape fraction
\dot{n}_{{ion}}=\frac{l_{[{oiii}]+{h}β}}{rc_{{h}β}(1-f_{{esc}})} · 2606.05323v1
$$E(B-V) = \frac{2.5}{k(\lambda_2) - k(\lambda_1)} \log_{10}\left( \frac{(F_{\lambda_1}/F_{\lambda_2})_{\text{obs}}}{(F_{\lambda_1}/F_{\lambda_2})_{\text{int}}} \right)$$
Вносит поправку в наблюдаемые отношения потоков за межзвёздное поглощение, используя кривую покраснения.
Что в формуле
E(B-V)переменнаяИзбыток цвета между полосами B и V — color excess
k(λ)переменнаяКривая поглощения на длине волны λ — extinction curve
F_λпеременнаяПоток на длине волны λ — поток Вт/м²
λпеременнаяДлина волны — длина волны м
log10операторДесятичный логарифм — десятичный логарифм
e(b-v)=\frac{2.5}{k({h}β)-k({h}α)}\log_{10}(\frac{({h}α/{h}β)_{{obs}}}{2.86}) · 2606.24684
$$\varepsilon(q) = \frac{q^2}{2 S(q)}$$
Энергия возбуждения связана со структурным фактором.
Что в формуле
\varepsilon(q)переменнаяЭнергия возбуждения как функция волнового вектора q — энергия Ha
qпеременнаяВеличина волнового вектора — wavevector inverse bohr
S(q)переменнаяСтатический структурный фактор — structure factor
\varepsilon(q)\lesssim\frac{q^2}{2s(q)} · 2607.08616
$$J = \int \sigma(\lambda) \phi(\lambda) F(\lambda) d\lambda$$
Константа скорости интегрирует сечение, квантовый выход и поток.
Что в формуле
Jпеременнаяконстанта скорости фотолиза — rate constant 1/с
\sigma(\lambda)переменнаясечение поглощения как функция длины волны — сечение м²
\phi(\lambda)переменнаяквантовый выход как функция длины волны — quantum yield
F(\lambda)переменнаяактиничный поток как функция длины волны — photon flux 1/(м²·с·м)
\lambdaпеременнаядлина волны — длина волны м
\intоператоринтегрирование по длине волны — интеграл
j=\intσ(λ)φ(λ)f(λ)dλ · 2607.15204

Статьи по теме · 6

Поймать ядро на электронный крючок: обратные токи как инструмент
В 1976 году физики предсказали: электрон может не просто пролететь мимо ядра, а врезаться в него и передать энергию, заставив ядро «вздрогнуть». Эффект назвали NEEC — ядерное возбуждение путём захвата электрона (Nuclear Excitation by Electron Capture). Но за почти пятьдесят лет его так и не смогли увидеть в эксперименте.
Водород как детектор гравитационных волн
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. Его атомы напоминают миниатюрные антенны: они излучают и поглощают электромагнитное излучение на строго определённых частотах.
Энергия в гравитационном поле: почти как вода в трубе
Если насыпать в стакан песок, он ляжет ровным слоем. Но вместо песка возьмём мельчайшие частицы газа: в поле тяжести они не просто падают — каждая крупинка несётся по своей траектории, сталкивается с соседками, и вся эта суета рождает давление. Добавьте сюда эффекты теории относительности — и привычная картина чуть заметно меняется.
Что держит звезду, когда у неё два давления
Воздушный шарик в ладони спружинит одинаково во все стороны. А вот бутылка с газировкой ведёт себя иначе: вдоль горлышка она жёсткая, а поперёк легко сминается. Примерно так устроено давление внутри некоторых звёзд — оно может быть неодинаковым по разным направлениям. Такие звёзды называют анизотропными, и их поведение до сих пор описывали разрозненными методами.
Квантовая физика2026-03-301 минarXiv:2603.28433экспресс
Квантовый отпечаток в свете
Свет, который испускает атом, — не просто вспышка. Он несёт отпечаток того, в каком состоянии был атом в момент излучения. Физики взяли сверхпроводящий кубит — искусственный атом размером с микросхему — и заставили его светиться в открытый волновод, как лампочку в длинный коридор. Затем они ловили каждый фотон и смотрели, как меняется его фаза.
Квантовая физика2026-03-061 минarXiv:2603.05795экспресс
Квантовый компьютер заглянул в сердце молекулы воды
Молекула воды похожа на крошечную гантель: два атома водорода крепятся к атому кислорода под углом. Эта гантель не стоит на месте — она растягивается, сжимается и вращается. Каждое такое движение имеет свою энергию, как ступеньки лестницы. Чтобы понять, как вода поглощает свет или участвует в химических реакциях, нужно знать высоту этих ступенек.