自发辐射

自发辐射是量子力学系统（如分子、原子或亚原子粒子）从激发能态跃迁到较低能态（如基态）并发射量子化能量的过程 光子的形式。 自发辐射最终对我们周围看到的大部分光线负责； 它无处不在，以至于对本质上相同的过程赋予了许多名称。 如果原子（或分子）通过加热以外的其他方式被激发，则自发发射称为发光。 例如，萤火虫是发光的。 根据激发原子的产生方式，有不同形式的发光（电致发光、化学发光等）。 如果激发受到辐射吸收的影响，则自发发射称为荧光。 有时，分子具有亚稳态，并且在激发辐射关闭后很长时间内仍会继续发出荧光； 这称为磷光。 在黑暗中发光的小雕像是磷光的。 激光器通过自发发射启动，然后在连续运行期间通过受激发射工作。

自发辐射不能用经典电磁理论解释，从根本上说是一个量子过程。 根据美国物理学会的说法，xxx个正确预测自发辐射现象的人是阿尔伯特·爱因斯坦，他从 1916 年开始发表了一系列论文，最终得出了现在所谓的爱因斯坦 A 系数。 爱因斯坦的量子辐射理论比后来在量子电动力学和量子光学中表达的思想早了几十年。 后来，在 1926 年正式发现量子力学之后，狄拉克在他的辐射量子理论中根据xxx性原理准确地描述了自发辐射率，这是他后来称为量子电动力学的理论的前身。 当被要求对自发辐射做出物理解释时，当代物理学家通常会援引电磁场的零点能量。 1963 年，开发了 Jaynes–Cummings 模型，描述了两能级原子与光腔内量子化场模式（即真空）相互作用的系统。 它给出了一种非直观的预测，即可以根据周围真空场的边界条件来控制自发辐射率。 这些实验催生了腔量子电动力学 (CQED)，研究反射镜和腔体对辐射校正的影响。

如果光源（“原子”）处于能量为 E 2 {\displaystyle E_{2}} 的激发态，它可能会自发衰减到能量为 E 的较低能级（例如基态） 1 {\displaystyle E_{1}} ，释放两种状态之间的能量差作为光子。 光子将具有角频率 ω {\displaystyle \omega } 和能量 ℏ ω {\displaystyle \hbar \omega } ：

E 2 − E 1 = ℏ ω , {\displaystyle E_{2}-E_{1}=\hbar \omega ,}

其中 ℏ {\displaystyle \hbar } 是约化的普朗克常数。 注：ℏ ω = h ν {\displaystyle \hbar \omega =h\nu } ，其中 h {\displaystyle h} 是普朗克常数，而 ν {\displaystyle \nu } 是线性频率 . 自发辐射中光子的相位是随机的，光子传播的方向也是如此。 这不适用于受激发射。 说明自发辐射过程的能级图如下所示：

如果在时间 t {\displaystyle t} 处于激发态的光源数量由 N ( t ) {\displaystyle N(t)} 给出，则 N {\displaystyle N} 衰减的速率为：

∂ N ( t ) ∂ t = − A 21 N ( t ) , {\displaystyle {\frac {\partial N(t)}{\partial t}}=-A_{21}N(t) ,}

其中 A 21 {\displaystyle A_{21}} 是自发辐射率。 在速率方程式中，A 21 {\displaystyle A_{21}} 是该特定光源中该特定跃迁的比例常数。 该常数称为爱因斯坦 A 系数，单位为 s−1。 上面的等式可以求解得到：

其中 N ( 0 ) {\displaystyle N(0)} 是激发态光源的初始数量，t {\displaystyle t} 是时间，Γ rad {\displaystyle \Gamma _{\ !{\text{rad}}}} 是跃迁的辐射衰减率。 因此，激发态的数量 N {\displaystyle N} 随时间呈指数衰减，类似于放射性衰变。 在一生之后，激发态的数量衰减到其原始值的 36.8%（ 1 e {\displaystyle {\frac {1}{e}}} -时间）。