Anregung eines Atoms (z.B. durch Absorption eines Photons)
Atome können durch Stöße mit Elektronen oder anderen Atomen oder aber durch die Absorption von Photonen angeregt werden. In der Animation in Abb. 1 zeigen wir die Anregung eines Atoms durch die Absorption eines Photons.
Die graue Kugel soll ein neutrales Atom darstellen. In dem Atom siehst du eine Energieskala, das sogenannte Termschema, in der die Energie \(0\) durch eine horizontale Linie dargestellt ist. Die beiden anderen horizontalen Linien sollen zwei Energieniveaus eines im Atom gebundenen Elektrons darstellen (Hinweis: Eigentlich handelt es sich um Energieniveaus "des Systems 'Elektron - Atomkern und die anderen Elektronen'". Aus praktischen Gründen spricht man aber oft einfach Energieniveaus "des Elektrons"). Dabei ist \(E_1\) die Energie des Grundzustands und \(E_2\) die Energie eines angeregten Zustands. Beide Energien sind negativ, da das Elektron sowohl im Grundzustand als auch im angeregten Zustand noch am Atom gebunden ist. Die dickere horizontale Linie soll jeweils verdeutlichen, auf welchem Energieniveau sich das Elektron momentan befindet. Zu Beginn der Animation befindet sich das Elektron auf dem Energieniveau mit der Energie \(E_1\), das Atom soll sich also zu diesem Zeitpunkt im Grundzustand befinden.
Weiter siehst du ein durch einen roten Wellenzug dargestelltes Photon, das sich nach dem Start der Animation auf das Atom zubewegt. Seine Energie \({E_{{\rm{Ph}}}}\) soll gleich der Energiedifferenz \(\Delta E = {E_2} - {E_1}\) sein, so dass das Photon das Atom anregen kann.
Beim Auftreffen des Photons auf das Atom geht das Atom aus dem Grundzustand mit der Energie \(E_1\) in den angeregten Zustand mit der Energie \(E_2\) über, was durch die dickere horizontale Linie, die sich nun am Energieniveau mit der Energie \(E_2\) befindet, dargestellt wird. Das Photon selbst wird bei diesem Prozess vernichtet, man spricht deshalb von Absorption: Die Energie \({E_{{\rm{Ph}}}}\) des Photons ist auf das Atom übergegangen und dort als Energiedifferenz \(\Delta E\) veranschaulicht.
Spontane Emission eines Photons
Atome bleiben normalerweise nicht lange in einem angeregten Zustand. Nach sehr kurzer Zeit - sie liegt in der Größenordnung von \({10^{ - 8}}{\rm{s}}\) - geht das Atom ohne äußeren Einfluss wieder in einen energetisch niedrigeren Zustand, üblicherweise den Grundzustand, über und emittiert dabei ein Photon. Diesen Vorgang bezeichnet man als Spontane Emission. Wir zeigen diesen Vorgang in der Animation in Abb. 2.
Zu Beginn der Animation befindet sich das Atom auf dem Energieniveau mit der Energie \(E_2\), also im angeregten Zustand. Die Anregungsenergie \(\Delta E = {E_2} - {E_1}\) ist rot dargestellt.
Gleichzeitig siehst du am rechten oberen Rand der Animation eine Uhr; eine Zeigerumdrehung soll der Zeitspanne \({10^{ - 8}}{\rm{s}}\) entsprechen. Obwohl die spontane Emission ein Zufallsprozess ist und der genaue Zeitpunkt, zu dem sie stattfindet, nicht vorhersehbar ist, markieren wir durch einen grauen Hintergrund die voraussichtliche Zeitspanne bis zur dargestellten spontanen Emission.
Nach dem Start der Animation siehst du die Uhr laufen. Ist die grau markierte Zeitspanne verstrichen, so geht das Atom aus dem angeregten Zustand mit der Energie \(E_2\) in den Grundzustand mit der Energie \(E_1\) über. Gleichzeitig entsteht ein Photon mit der Energie \({E_{{\rm{Ph}}}} = \Delta E = {E_2} - {E_1}\), das sich in eine nicht vorhersagbare Richtung vom Atom wegbewegt.
Stimulierte (oder induzierte) Emission eines Photons
In seiner 1917 veröffentlichten Arbeit "Zur Quantentheorie der Strahlung" sagt Albert EINSTEIN aufgrund theoretischer Überlegungen einen weiteren Emissionsprozess voraus, die stimulierte (oder induzierte) Emission. 1928 wurden diese Vorhersagen im Experiment bestätigt. Laser steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“; übersetzt „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung“. Stimulierte Emission ist also der entscheidende Prozess um Laserlicht zu erzeugen. Der Prozess der stimulierten Emission wird in der Animation in Abb. 3 dargestellt.
Zu Beginn der Animation befindet sich das Atom wieder auf dem Energieniveau mit der Energie \(E_2\), also im angeregten Zustand. Die Anregungsenergie \(\Delta E = {E_2} - {E_1}\) ist wieder rot dargestellt.
Gleichzeitig siehst du wieder am rechten oberen Rand der Animation eine Uhr; eine Zeigerumdrehung soll der Zeitspanne \({10^{ - 8}}{\rm{s}}\) entsprechen. Erneut markieren wir durch einen grauen Hintergrund die Zeitspanne bis zur voraussichtlichen spontanen Emission.
Nach dem Start der Animation siehst du die Uhr laufen. Bevor aber die grau markierte Zeitspanne bis zur voraussichtlichen spontanen Emission verstrichen ist, wird das angeregte Atom von einem Photon mit der Energie \({E_{{\rm{Ph,1}}}} = \Delta E = {E_2} - {E_1}\) getroffen. Dieses Photon wird nun aber nicht vom Atom absorbiert, sondern löst beim Atom den Übergang aus dem angeregten Zustand mit der Energie \(E_2\) in den Grundzustand mit der Energie \(E_1\) aus. Gleichzeitig entsteht ein zweites Photon mit der Energie \({E_{{\rm{Ph,2}}}} = \Delta E = {E_2} - {E_1}\). Diesen Prozess bezeichnet man als stimulierte (oder induzierte) Emission.
Sowohl die theoretischen Überlegungen von EINSTEIN als auch Experimente zeigen, dass dieses zweite Photon nun nicht nur die gleiche Energie, sondern auch die gleiche Schwingungsphase, die gleiche Bewegungsrichtung und die gleiche Polarisation wie das erste Photon, das die Emission ausgelöst hat, besitzt. Man spricht in diesem Fall von kohärenten Photonen.
Lichtverstärkung durch wiederholte stimulierte Emission
In einem Laser wird nun der Prozess der stimulierten Emission von Photonen wie in einer Kettenreaktion genutzt. Durch eine Technik, die wir im Folgenden noch genauer betrachten werden, sorgt man dafür, dass sich in einem Material, dem sogenannten Lasermedium, sehr viele gleichartige Atome sehr lange im angeregten Zustand befinden. Ein solcher angeregter Zustand eines Atoms, der verhältnismäßig lange anhält, wird als metastabil bezeichnet. Es ist wichtig, dass diese angeregten Zustände möglichst lange anhalten, damit auch die Gelegenheit besteht, dass in dieser Zeit ein Photon die stimulierte Emission auslösen kann. Die Länge dieser Zeit ist abhängig vom jeweiligen Energieniveau und von der Art der verwendeten Atome; wir werden später genauer darauf eingehen.
In der Animation wird das Lasermedium durch vier angeregte Atome dargestellt, die sich alle auf dem Energieniveau mit der Energie \(E_2\) befinden. Die bei allen Atomen gleiche Anregungsenergie \(\Delta E = {E_2} - {E_1}\) ist wieder rot dargestellt.
Nach dem Start der Animation geht nach einer zufälligen Zeitspanne das erste Atom durch spontane Emission aus dem angeregten Zustand mit der Energie \(E_2\) in den Grundzustand mit der Energie \(E_1\) über und sendet ein Photon der Energie \({E_{{\rm{Ph,1}}}} = \Delta E = {E_2} - {E_1}\) aus. Dieses Photon trifft nun nach einiger Zeit auf das zweite, ebenfalls angeregte Atom und löst dort eine stimulierte Emission eines zweiten Photons mit der gleichen Energie \({E_{{\rm{Ph,2}}}} = {E_{{\rm{Ph,1}}}} = \Delta E\) aus, während auch das zweite Atom in den Grundzustand übergeht. Dieser Prozess setzt sich beliebig oft (in der Animation noch zwei Mal) fort, so dass man am Ende eine große Anzahl von Photonen erhält, die - wie oben bereits gesagt - alle die gleiche Energie, die gleiche Schwingungsphase, die gleiche Bewegungsrichtung und die gleiche Polarisation besitzen.
Hinweise
In der PhET-Simulation Laser (Achtung, nur im Browser lauffähig oder als JAVA-Anwendung downloadbar) unter dem Reiter "Einzelatom (Absorption und Emission)") kannst du erkennen, dass die Wahrscheinlichkeit für die stimulierte Emission sowohl mit der Anzahl der auf das Atom treffenden Photonen als auch mit der Lebensdauer des angeregten Zustands steigt. In der Simulation brauchst du etwas Geduld, bis bei aktivierten Spiegeln die "Internal Power" soweit angestiegen ist, dass sich das System im Lasing-Bereich befindet.