Omówimy teraz przykład wykorzystania zjawisk kwantowych w praktyce. Przedstawimy kwantowy generator światła nazwany laserem. Urządzenie to znalazło bardzo szerokie zastosowanie min. w telekomunikacji, badaniach naukowych, technologii obróbki metali i medycynie.

Emisja spontaniczna

Zgodnie z postulatem Bohra, promieniowanie elektromagnetyczne zostaje wysłane tylko wtedy gdy elektron poruszający się po orbicie o całkowitej energii \( E_{k} \) zmienia swój ruch skokowo, tak że porusza się następnie po orbicie o energii \( E_{j} \). Mówimy, że cząstka (elektron) przechodzi ze stanu wzbudzonego (o wyższej energii) do stanu podstawowego. Takiemu samoistnemu przejściu towarzyszy emisja fotonu o częstotliwości

Zjawisko takie jest nazywane emisją spontaniczną.

Jeżeli różnica energii wynosi kilka elektronowoltów (na przykład tak jak w atomie wodoru, gdzie \( E_{1} \) = -13.6 eV) to czas charakterystyczny dla procesu emisji spontanicznej ma wartość rzędu 10 \( ^{-8} \) s.

Oczywiście atomy (cząsteczki) nie tylko emitują ale i absorbują promieniowanie o ściśle określonych częstotliwościach (długościach fali). Ponieważ elektron w atomie ma energię całkowitą równą jednej z energii dozwolonych (stan stacjonarny) więc z padającego promieniowania absorbuje tylko określone kwanty energii przechodząc ze stanu podstawowego do wzbudzonego. Energia absorbowanych kwantów \( h\nu \) jest dokładnie równa różnicy pomiędzy energiami dozwolonych stanów.

Emisja wymuszona

Teoria kwantowa przewiduje także, że oprócz emisji spontanicznej oraz procesów absorpcji może wystąpić także inny proces, nazywany emisją wymuszoną.

Przypuśćmy, że atom znajduje się w stanie wzbudzonym \( E_{k} \) i może przy przejściu do stanu podstawowego \( E_{j} \) emitować foton o energii ( \( E_{k} - E_{j} \)). Jeżeli taki atom zostanie oświetlony promieniowaniem, które zawiera fotony o energii właśnie równej ( \( E_{k} - E_{j} \)) to prawdopodobieństwo wypromieniowania energii przez atom wzrośnie.

Takie zjawisko przyspieszenia wypromieniowania energii przez oświetlenie atomów wzbudzonych odpowiednim promieniowaniem nazywamy właśnie emisją wymuszoną.

Ponadto, bardzo ważne jest to, że

Emisja wymuszona stwarza więc szansę uzyskania promieniowania spójnego.

Procesy absorpcji, emisji spontanicznej i emisji wymuszonej pokazane są schematycznie na Rys. 1.

Żeby przeanalizować możliwość emisji wymuszonej, musimy wiedzieć, jak atomy (cząsteczki) układu obsadzają różne stany energetyczne to znaczy musimy określić ile atomów jest w stanie podstawowym (stanie o najniższej energii), a ile w stanach wzbudzonych (o wyższych energiach).