Physik - Lasertechnik - induzierter Übergang von Elektronen

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Tach auch!

Ich hätt da mal eine kleine Physikfrage (Einstein - Laser - Licht)
Wir machen zur Zeit Lasertechnik in Physik - allerdings kann man über unseren Unterricht geteilter Meinung sein.

Nun, es geht darum, dass ein Photon einer bestimmten Energie/Wellenlänge ein Elektron sowohl von einem niedrigen Energieniveau auf ein höheres bringen kann (und dieses dann wieder spontan zurückfällt unter Aussendung eines Photons), als auch - und das ist jetzt der Punkt - ein bereits sich auf einem höheren Energieniveau befindliches Elektron runterstürzen lassen kann, was zur folge hat, dass sich zum ursprünglichen Photon ein zweites gesellt, gleichphasig, gleichgerichtet und mit gleicher Wellenlänge ==> Verstärkung - eben der Effekt, der beim Laser so toll ist.

Meine Frage, warum Einstrahlung von Energie zur Abgabe derselben Energie führen kann, so dass der Effekt sich verdoppelt und warum nicht niedrige Elektronen angehoben werden, wurde so beantwortet, dass das nicht so ist, und das die Erklärung 2 Stunden dauern würde.

Meine Internet-Recherche ergab, dass dem schon so ist, die Wahrscheinlichkeit aber von der Wellenlänge abhängt und auch davon, wieviele Elektronen man vorher überhaupt auf dem niedrigen Niveau belassen hat (logisch). Ansonsten immer dasselbe: Einstein, Einstein hat recht, ist so, war schon immer so und wird auch immer so sein.

Darum wollte ich mal nachfragen, ob von euch jemand das im Unterricht vielleicht besser erklärt bekommen hat - hier werden doch bestimmt ein paar studierte Physis rumlaufen, oder?

Wie kann man das logisch erklären?

Vielen Dank und nen schönen Abend!

 

[saschaf]

Das Zauberwort heißt Besetzungsinversion. Du musst das "aktive Lasermedium" (z.B. CO2 oder Nd:YAG-Kristall) erst mit Energie voll-pumpen (Pumpen ist hier auch tatsächlich der Fachbegriff). Das heißt das niedrige Energieniveau ist dann schwächer besetzt als das höhere. Das aktive Medium ist jetzt aus dem thermodynamischen Gleichgewicht (nur so kann ein Laser überhaupt funktionieren). Tatsächlich ist es aber schon so, dass niederenergetische Elektronen ständig angeregt werden ( nur sind eben nicht so viele wie hochenergetische vorhanden)

MfG

 

[shutdown]

Erstmal danke.
Aber das wusste ich schon

Man bringt erstmal möglichst viele Elektronen in den angeregten Zustand, damit kaum welche überhaupt noch angeregt werden können.
Durch den Photonenbeschuss können die angeregten Elektronen nicht in höhere E-Nivaus gelangen, da die Energie der Differenz zwischen E0 und E1 entspricht und diese Differenz einmalig ist (um sie zu lösen bräuchte man doch glaub ich einen Materiestrahl, da da durch die Bewegungsenergien sich so abstimmen können, dass genau die "Flucht"-Energie abgegeben wird - zumindest soweit ich mich noch erinnern kann, aber ist auch nebensächlich).

Was ich jetzt nicht verstehe, ist der genau der Knackpunkt der Einsteinschen Theorie:

Warum kann ein Elektron, das durch ein bestimmtes Energiequant angeregt wurde, durch erneuten Beschuss desselben Energiequants dazu veranlasst werden, das ursprünglich aufgenommene wieder abzugeben?

 

[Johannes Postler]

Afaik ist das so, dass beim Beschuss des aktiven Mediums bereits mehr Elektronen im angeregten Zustand sein müssen, als noch im Grundzustand. Nur dann kann eine Verstärkung auftreten. So ein Medium wird invertiert genannt.

 

[shutdown]

@Johannes Postler
Was ist "Afaik"?

Also nochmal, nachdem ich nun schon 2 mal geschrieben habe, dass ich schon verstanden habe, dass mein Medium besondere Eigenschaften haben muss .

Hier mal ein ganz einfaches Beispiel (möglicherweise ist die Analogie falsch, aber es zeigt glaub ich meine Frage am Besten).

-->normaler Zustand
Ich werfe einen Stein auf eine Fensterscheibe ==> Die Fensterscheibe bricht.

-->"Laser"-Zustand von Einstein postuliert und nachgewiesen
Ich werfe einen Stein auf eine Fensterscheibe ==> Der Stein fliegt durch die Scheibe hindurch und hat danach einen Begleiter der gleichen Größe, Richtung und Geschwindigkeit.

Mich interessiert nicht, dass die Fensterscheibe ein ganz besonderes Material sein muss, damit das funktioniert. Was mich jetzt interessiert, ist, warum ein Stein, der die Scheibe brechen müsste, die Scheibe ganz lässt und gleichzeitig aus der Scheibe einen zweiten Stein entlockt.

Nicht die Vorraussetzungen interessieren mich, sondern wie kann ein normalerweise anregendes Photon ein Elektron zur Ruhe bringen?

 

[vogtländer]

Ich versuch's mal aus meinem laienhaften Verständnis der Materie so zu erklären:

1.) Ein Elektron wird durch ein Photon angeregt, eine schale nach außen zu hüpfen. Um eine weitere Schale nach außen zu hüpfen oder ein zweites Elektron nach außen hüpfen zu lassen, ist eine andere, meines Wissens nach höhere Energie, also ein Photon anderer Wellenlänge notwendig.
2.) ein zweites Photon trifft auf das Atom, dessen Elektron bereits eine Schale höher liegt als normal. Nun muss es klarerweise eine Reaktion geben. Eine weitere Steigerung des Energieniveaus des Atoms ist ja nicht möglich und da ein angeregtes Atom ohnehin dazu neigt, den Grundzustand unter Abgabe von Photonen wiederherzustellen, ist dies wohl die wahrscheinlichste Reaktion.
3.) In der Quantenphysik geht es sowieso nur um Wahrscheinlichkeiten, also hat wohl dein Lehrer aus dem genauen "Es ist wahrscheinlich so." das allgemein anerkannte "Es ist so." gemacht, um die Sache nicht unnötig kompliziert zu machen.

Ich übernehme selbstverständlich nicht einmal ansatzweise eine Gewähr für diese Aussagen.

 

[saschaf]

-->"Laser"-Zustand von Einstein postuliert und nachgewiesen
Ich werfe einen Stein auf eine Fensterscheibe ==> Der Stein fliegt durch die Scheibe hindurch ...

Das ist der Tunneleffekt und hat mit dem Laserprinzip erstmal nix zu tun.

Aber nochmal zu deiner Frage.

Die angeregten Elektronen halten sich im angeregten Zustand nur eine bestimmte durchschnittliche Zeit (das Medium ist ja nicht im thermo.-dyn. Gleichgewicht). Die Elektronen haben also von sich aus schon das Bestreben sich "abzuregen" - es fehlt eben nur ein Katalysator (ein Photon), um die Emission einzuleiten. Fehlt der Katalysortor fällt das Elektron nach einer gewissen statistischen Zeit von allein auf das niedrigere Energieniveau zurück. Die Richtung und die Phase des ausgesendeten Photons sind dann aber zufällig.

Die induzierte Emission kann man sich auch so vorstellen (Achtung es folgt eine an den Haaren herbeigezogene Analogie! ):

Du hast eine Schüssel destilliertes Wasser (also sehr sehr sauber). Das Wasser kann man dann bis weit unter 0°C flüssig halten, da keine Kondensationskeime fürs Erstarren vorhanden sind. Du hast also jetzt z.B. -10°C kaltes und flüssiges Wasser. Dieses Wasser ist jetzt eigentlich bestrebt zu gefrieren, nur fehlen eben die Kondensationskeime.
Wenn du jetzt aber einen Staubkrümel oder einen Eispartikel in die Schüssel wirfst, gefriert das ganze Wasser augeblicklich. Du "induzierst" also die Erstarrung des Wassers. Mit Photonen ist das (ich sag jetzt mal nicht genauso) "ähnlich".

MfG

Nachtrag:

Beide Photonen haben die gleiche Richtung, weil der Impulserhaltungssatz erfüllt sein muss (Teilchenverhalten der Photonen).

Beide Photonen haben die gleiche Phase, da im Laserresonator eine stehende Welle vorliegt. Die emitierten Photonen richten sich an diesem "E-H-Wellenfeld" aus (Welleneigenschaft des Photons).