Emissione stimolata
Quello che non riesco a capire è il perchè nell'emissione stimolata, il fotone emesso possiede la stessa fase ( e direzione)del fotone che colpisce l'atomo?. Qualcuno potrebbe spiegarmi il perchè?
A.B.
A.B.
Risposte
Io magari mi sbaglierò ma secondo me chiedersi il perchè di certi fenomeni non ha molto senso... cioè è un dato di fatto sperimentale. La cosa bella però è che esso può essere predetto facendo dei calcoli abbastanza raffinati con la teoria delle perturbazioni nell'ambito della meccanica quantistica aggiungendo un termine di interazione campo-elettrone nell'hamiltoniano dell'elettrone e inserire il tutto nell'eq di shroedinger. In realtà per descrivere bene bene il fenomeno la MQ non basta e si deve procedere anche con la quantizzazione del campo elettromagnetico che colpisce l'elettrone. Non credo quindi che si possa rispondere in questo caso ad un "perchè" se non dicendoti "succede, e i calcoli dicono che va bene così". Poi io magari mi sbaglio eh e la mia idea di "Teoria fisica" è del tutto sbagliata, però ora come ora, la vedo così...
Grazie della risposta. La mia domanda non è stata formulata bene, io non chiedevo una spiegazione del fenomeno, bensì una interpretatzione scientifica. Quello che tu ben descrivi mi è sufficiente; purtroppo questo è un campo troppo complicato per me.
A.B
A.B
prima dei calcoli io farei due ragionamenti:
se il secondo fotone non fosse identico al primo la teoria dell'emissione stimolata non sarebbe più coerente per inversione temporale.
almeno la direzionalità e la frequenza sono spiegabili così:
consideriamo solo due livelli dell'atomo: E_0 (quiete) E_1 (eccitato)
abbiamo noti
1) emissione spontanea
atomo eccitato ---> atomo allo stato fondamentale + fotone di frequenza tale che $E_1-E_0=h/(2pi) omega$ (*)
2) assorbimento
atomo in E0 + fotone di frequenza (*) -> atomo in E1
ora prendi invia due fotoni di direzione qualsiasi (chiamiamole d1 e d2) che incidono contemporaneamente sull'atomo. vedi che c'è una probabilità 50% che venga assorbito l'uno o l'altro (è intuitivo, lasciando stare processi a 2 fotoni e considerando orbitali perfettamente simmetrici), quindi avrai:
atomo E0 + fotone (d1) + fotone (d2) -> atomo E1 + fotone (d1 50%, d2 50%)
giusto?
vogliamo che il fotone risultante abbia una direzione ben definita ad ogni misurazione, quindi per forza d1=d2.
inverti la freccia del tempo ed ecco l'emissione stimolata. vedi ora perchè frequenza e direzionalità del secondo fotone sono uguali a quelle del primo. sulla fase... se ci pensi un argomento simile funziona benissimo.
buon natale.
se il secondo fotone non fosse identico al primo la teoria dell'emissione stimolata non sarebbe più coerente per inversione temporale.
almeno la direzionalità e la frequenza sono spiegabili così:
consideriamo solo due livelli dell'atomo: E_0 (quiete) E_1 (eccitato)
abbiamo noti
1) emissione spontanea
atomo eccitato ---> atomo allo stato fondamentale + fotone di frequenza tale che $E_1-E_0=h/(2pi) omega$ (*)
2) assorbimento
atomo in E0 + fotone di frequenza (*) -> atomo in E1
ora prendi invia due fotoni di direzione qualsiasi (chiamiamole d1 e d2) che incidono contemporaneamente sull'atomo. vedi che c'è una probabilità 50% che venga assorbito l'uno o l'altro (è intuitivo, lasciando stare processi a 2 fotoni e considerando orbitali perfettamente simmetrici), quindi avrai:
atomo E0 + fotone (d1) + fotone (d2) -> atomo E1 + fotone (d1 50%, d2 50%)
giusto?
vogliamo che il fotone risultante abbia una direzione ben definita ad ogni misurazione, quindi per forza d1=d2.
inverti la freccia del tempo ed ecco l'emissione stimolata. vedi ora perchè frequenza e direzionalità del secondo fotone sono uguali a quelle del primo. sulla fase... se ci pensi un argomento simile funziona benissimo.
buon natale.
PS se qualcuno rilevasse un baco nel ragionamento sarei ben contento di smentirmi. prima in auto ci ho ripensato un po' e mi sembra reggere.
PPS giacor, mi segnali dove posso trovare il calcolo con la teoria delle perturbazioni? se è online me lo leggo volentieri durante le feste. ho cercato sul Bransden-Joachain che pure è la bibbia della Fisica della Materia ma si occupa poco di laser e affini.
PPS giacor, mi segnali dove posso trovare il calcolo con la teoria delle perturbazioni? se è online me lo leggo volentieri durante le feste. ho cercato sul Bransden-Joachain che pure è la bibbia della Fisica della Materia ma si occupa poco di laser e affini.
Io ho un paio di libri dove la teora delle perturbazioni è trattata, però sempre con approccio semiclassico (senza la quantizzazione di Dirac) fino a dimostrare la regola d'oro di Fermi. Uno di questi è "Principles of lasers" di Orazio Svelto. Il calcolo di QED proprio non saprei. Magari su Landau XD
Io wedge non ho capito benissimo il tuo ragionamento... cioè proprio la questione che la direzione misurata deve essere unica... come mai? non si può dire che è 50% sarà una o l'altra?
noi VOGLIAMO che sia unica, per il semplice fatto che nell'emissione stimolata sai con precisione qual è la direzione del fotone incidente.
assorbimento ed emissione stimolata sono di fondo lo stesso processo percorso in due direzioni (temporali) diverse, capisci?
assorbimento ed emissione stimolata sono di fondo lo stesso processo percorso in due direzioni (temporali) diverse, capisci?
te lo riscrivo, facciamolo con la polarizzazione (chiamo le due polarizzazioni circolari CW e CCW).
ASSORBIMENTO (AS/1)
fotone CW (CCW) + atomo E0 -> atomo E1
EMISSIONE STIMOLATA (ES/1)
fotone CW (CCW) + atomo E1 -> atomo E0 + 2 fotoni (vogliamo vedere come sono polarizzati)
casi che interessano a noi
AS/2
fotone CW(CCW) + fotone CW(CCW) + atomo E0 -> atomo E1 + fotone CW(CCW)
AS/3
fotone CW + fotone CCW + atomo E0 -> atomo E1 + fotone CW xor CCW
ribalta la freccia del tempo:
l'AS/2 è la emissione stimolata come la conosci
AS/3 ribaltato, te lo scrivo
atomo E1 + fotone CW xor CCW -> fotone CW + fotone CCW + atomo E0
non è coerente con le ipotesi dell'emissione stimolata in quanto non sai come il fotone è polarizzato in entrata
quindi, supposto di sapere come è polarizzato il fotone in ingresso (come in ES/1) OBBLIGATORIAMENTE i due fotoni in uscita hanno la stessa polarizzazione
non è difficile! in Fisica si fanno una marea di argomentazioni di questo genere sfruttando simmetrie e cose simili.
ora è chiaro? (spero lo sia anche per alfabeto)
ASSORBIMENTO (AS/1)
fotone CW (CCW) + atomo E0 -> atomo E1
EMISSIONE STIMOLATA (ES/1)
fotone CW (CCW) + atomo E1 -> atomo E0 + 2 fotoni (vogliamo vedere come sono polarizzati)
casi che interessano a noi
AS/2
fotone CW(CCW) + fotone CW(CCW) + atomo E0 -> atomo E1 + fotone CW(CCW)
AS/3
fotone CW + fotone CCW + atomo E0 -> atomo E1 + fotone CW xor CCW
ribalta la freccia del tempo:
l'AS/2 è la emissione stimolata come la conosci
AS/3 ribaltato, te lo scrivo
atomo E1 + fotone CW xor CCW -> fotone CW + fotone CCW + atomo E0
non è coerente con le ipotesi dell'emissione stimolata in quanto non sai come il fotone è polarizzato in entrata
quindi, supposto di sapere come è polarizzato il fotone in ingresso (come in ES/1) OBBLIGATORIAMENTE i due fotoni in uscita hanno la stessa polarizzazione
non è difficile! in Fisica si fanno una marea di argomentazioni di questo genere sfruttando simmetrie e cose simili.
ora è chiaro? (spero lo sia anche per alfabeto)
Allora wedge, mi è piaciuto molto il tuo ragionamento per spigare che i due fotoni hanno stessa direzione, ma quello che nn mi è chiarissimo è il fatto dell'inversione temporale. E' vero che in fisca si utilizza spesso questa simmetria, ma bisogna stare a volte un pò attenti... mi chiedo se in tal caso sia lecito utilizzare l'inversione temporale.
Se così fosse allora la tua argomentazione è impeccabile.
Se così fosse allora la tua argomentazione è impeccabile.
ciao Yak, direi di si per la semplicità del processo (non c'è nulla di irreversibile e non ci sono campi magnetici da invertire)
hai in mente i diagrammi di Feynmann? è la stessa cosa: abbiamo due attori ed un solo tipo di interazione, leggibile in qualunque direzione.
hai in mente i diagrammi di Feynmann? è la stessa cosa: abbiamo due attori ed un solo tipo di interazione, leggibile in qualunque direzione.
non ho presente i diagrammi da feynman (nn li ho ancora visti), ma mi fido. Mi era sorto il dubbio in quanto non ero sicuro fosse reversibile...
Grazie Wedge, le notizie che mi hai dato sono superiori alle mie richieste. Purtroppo la mia conoscenza in questo campo è molto limitata, riesco solo a vedere il problema a grandi linee. La mia era una semplice curiosità.
A.B
A.B
prego, di nulla. e grazie a te per avermi fatto ragionare un po' sulla cosa.
personalmente faccio fatica a pensare ad un processo più reversibile di emissione/assorbimento
"Yak52":
non ho presente i diagrammi da feynman (nn li ho ancora visti), ma mi fido. Mi era sorto il dubbio in quanto non ero sicuro fosse reversibile...
personalmente faccio fatica a pensare ad un processo più reversibile di emissione/assorbimento
che emissione ed assorbimento siano reversibili è chiaro, ma non mi era così immediato per l'emissione stimolata e il processo inverso. Comunque pensandoci meglio mi sono convinto.
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