6.2 פליטה ספונטנית ומוצא האור

דף הבית ／ פרק 6: תחום הקוואנטים

I. מנגנון אחד בשלושה שלבים: אגירת אנרגיה → התקבצות מעל סף → שחרור
כל מעשה של פליטת אור ניתן לדחוס לשלושה שלבים ברורים.

• אגירה – יצירת רזרבה של אנרגיה.
  בתמונת הסיבים והים האנרגטי של תאוריית סיבי האנרגיה, אטומים, מולקולות, חומרים מוצקים ופלזמה מתארגנים לתצורות מתוחות או משוחררות יותר. חימום, האצה חשמלית, התנגשויות של אלומות או תגובות כימיות מעלים את מצב המערכת, והאנרגיה נאגרת כרזרבת מתחים — מצב מעורר, מצב מואץ, מצב מיינן ועוד.
• התקבצות – חציית סף הפליטה.
  כאשר מופע פנימי נכנס לטווח מתאים, הרעש הרחב־סרט של הים האנרגטי נותן דחיפה קלה. המערכת המקומית חוצה את הסף, והרזרבה נארזת למעטפת גל מתוחה קוהרנטית — חבילת אור אחת, הנעה במרחב באופן גלִי.
  עיקרון מרכזי: ההתקבצות נשלטת על ידי סף. מתחת לסף אין פליטה חלקית, וברגע שנוגעים בסף נוצרת חבילה שלמה. הדיסקרטיות הזו בצד המקור היא אחת הסיבות לכך שאור מגיע במנות.
• שחרור והפצה – עמידה בסף המסלול.
  טווח ההפצה של החבילה נקבע על ידי ספי מסלול: קיום קוהרנטיות של המעטפת, מיקום בתחום שקיפות של התווך, והתאמה של כיוון וערוץ לתווך. כאשר התנאים מתקיימים החבילה נעה למרחקים, וכאשר אינם מתקיימים היא נבלעת, מתחממת או מתפזרת סמוך למקור.
  במפגש עם קולט — אלקטרון, מולקולה או פיקסל של גלאי — יש לחצות גם סף סגירה כדי להירשם כבליעה או כפליטה חוזרת. סף זה אינו מתחלק, ולכן גם בצד הקולט האירועים נראים כחבילות נפרדות.

בשורה אחת: סף ההתקבצות במקור קובע כיצד נפלט, סף המסלול קובע עד כמה רחוק יגיע, וסף הסגירה בקולט קובע כיצד ייקלט. שרשרת הספים הזאת מחברת הפצה גלית עם רישום דיסקרטי של מנות.

II. מדוע הפליטה יכולה להיות ספונטנית — אור גם בלי תאורה נכנסת

• מצבים מעוררים קשים לשימור. תצורה מוגבהת יקרה במונחי מתחים, וכאשר המופע מתקרב לאזור המאפשר פליטה המערכת נוטה מטה באופן טבעי.
• בים האנרגטי יש תמיד רעש רקע. לעולם אין מנוחה מוחלטת, והפרעות זעירות רחבות־סרט דופקות ללא הרף על הדלת.
• פגיעה בסף מפעילה את הפליטה. כאשר התאמת המופע והדחיפה הקטנה מתלכדות, הסף נחצה וחבילת אור נאספת ונפלטת.
• פליטה מאולצת רק מנמיכה את הסף. גל חיצוני בתיאום מופע מוריד את סף הפליטה ונועל מופע של פליטות רבות — לייזר.

לכן פליטה ספונטנית נובעת מצירוף של עירור, רעש רקע וסף פליטה, ולא מקסם של יש מאין.

III. הדרכים העיקריות להיווצרות אור — על פי הסיבה הפיזיקלית
בכל הקבוצות התהליך זהה: אגירה, התקבצות, שחרור. ההבדלים הם במקור הרזרבה, באיך חוצים את הסף, ובאיזה ערוץ נעים.

• פליטת קווים — ירידת מפלסים בתוך אטומים ומולקולות.
  – רזרבה: תצורות אלקטרונים מוגבהות או לכידה מחודשת לאחר יינון.
  – התקבצות: המופע נכנס לאזור פליטה, רעש הרקע דוחף מעל הסף, מעטפת קוהרנטית נורתה. התדירות ננעלת על הקצב הפנימי.
  – שחרור: כמעט איזוטרופי. רוחב הקו נקבע על ידי זמן חיים קצר יותר ורעש סביבתי חזק יותר.
  – אור מושהה — פלואורסצנציה ופוספורסצנציה: במצב מטא־יציב הדלת נפתחת מאוחר, נוצר עיכוב או תחרות בין ערוצים לפני הפליטה.
• קרינה תרמית — גוף שחור ומצבים קרובים.
  – רזרבה: המוני תהליכים זעירים בשכבות פני־השטח מחליפים אנרגיה באופן רציף.
  – התקבצות: חבילות זעירות רבות עוברות עיבוד חוזר בשפות מחוספסות ומתכהות, ולכן אירועים דיסקרטיים מתמוצעים סטטיסטית.
  – שחרור: צורת הספקטרום נקבעת על ידי הטמפרטורה. הפליטה כמעט איזוטרופית, הקוהרנטיות נמוכה, אך פליטת הקרינה והקיטוב משקפים מתחים ודרגת מחוספסות של המשטח.
• קרינה מטעונים מואצים — סינכרוטרון או עקמומיות וברמסשטראלונג.
  – סינכרוטרון ועקמומיות: אלומות טעונות מוכתבות לפנות על ידי שדה מגנטי או מסלול מעוקל. נוף המתחים נכתב ללא הרף מחדש וחבילות נשפכות החוצה — כיווניות חזקה, קיטוב חזק וסרט רחב.
  – ברמסשטראלונג — בלימה חדה בשדה קולון חזק משנה באחת את הנוף, ונוצרת חבילה רחבת־סרט, בולטת במיוחד בחומרים צפופים ובעלי מספר אטומי גבוה.
• רקומבינציה ולכידה חוזרת — אלקטרון חופשי נופל לכיס של יון.
  – רזרבה: היּוֹן לוכד אלקטרון והמערכת נעה מתצורה יקרה לחסכונית.
  – התקבצות: הפרש האנרגיה חוצה סף ונפלטת חבילה.
  – שחרור: סדרות קווים מובחנות — סימן הנאון הקלאסי של ערפיליות ופלזמות.
• קרינת אָנִילַצְיָה — זוגות מנוגדים נפרמים.
  – רזרבה: זוגות יציבים בעלי כיווניות נגדית נפגשים ומתירים סיבים.
  – התקבצות ושחרור: כמעט כל הרזרבה הופכת לשתי חבילות נגדיות או יותר — צרות־סרט ומכוונות בזוגות — כדוגמת זוג פוטונים סביב 0.511 MeV.
• קרינת צרנקוב — חרוט מהירות מופע.
  – רזרבה: מטען נע בתווך מהר ממהירות המופע של אותו תווך.
  – התקבצות ושחרור: לאורך פני החרוט המופע נקרע ברצף ונוצרת הילה כחלחלה. זווית החרוט נקבעת על ידי מהירות המופע של התווך.
  – ערוץ: מקרה מיוחד שבו סף המסלול נשמר באזור מהירויות מעל מהירות המופע.
• אי־ליניאריות ותערובת תדירויות — המרה, סכום והפרש, ורמן.
  – רזרבה: שדה אופטי חיצוני מזין אנרגיה, והאי־ליניאריות של התווך מחלקת אותה מחדש.
  – התקבצות ושחרור: כאשר מתקיימים תיאום מופע וערוץ מתאים, נוצרת חבילה בתדירות חדשה — מאולצת או ספונטנית. הכיווניות והקוהרנטיות נקבעות על ידי גאומטריה ומתחי החומר.

IV. שלושה מאפיינים נראים לעין שמקורם בשכבה העמוקה — רוחב קו, כיווניות וקוהרנטיות

• רוחב קו גדל כאשר זמן החיים קצר יותר או שהסביבה רועשת יותר. אז אין די זמן להתמקם בתדירות, והדקו־הרנטיות מחזקת את ההרחבה.
• כיווניות וקיטוב נקבעים על ידי הגאומטריה סמוך למקור ועל ידי מפל מתחים. אטומים חופשיים פולטים ספונטנית כמעט באיזוטרופיות, אך ליד שדות מגנטיים, תעלות קולימציה וממשקים הקרינה נעשית מכוונת ומקוטבת בעוצמה.
• קוהרנטיות קיימת מטבעה בפליטה יחידה. ריבוי עיבודים מוביל לאור תרמי בעל קוהרנטיות נמוכה, בעוד פליטה מאולצת עם נעילת מופע מעלה את הקוהרנטיות מאוד — לייזר.

V. לא כל הפרעה הופכת לאור למרחקים — ספי הפצה מסננים

• קוהרנטיות שאינה מספקת מפרקת את המעטפת ליד המקור, וגל מקובץ אינו נוצר.
• חלון לא נכון מבחינת שקיפות גורם לבליעה סמוך למקור.
• אי־התאמה של ערוץ או כיווניות מזרזים דעיכה של האנרגיה.
  אור שמגיע למרחקים חייב לקיים שלושה תנאים יחד — מעטפת שלמה דיה, חלון שקיפות מתאים וערוץ תואם.

VI. השוואה לתאוריות קיימות

• מקדמי פליטה ספונטנית ומאולצת של איינשטיין מתפרשים כאן כהקשה של רעש רקע בצירוף סף פליטה מצד אחד, ונעילת מופע עם הנמכת סף מצד אחר.
• באלקטרודינמיקה קוונטית האור הוא קוואנטים של שדה והאינטראקציות מחושבות בדיוק. תאוריית סיבי האנרגיה מוסיפה הסבר חומרי־גאומטרי באמצעות סדרת ספים — ספי התקבצות, ספי מסלול וספי סגירה — המסבירה מדוע הפליטה בדידה, מדוע ההפצה מצליחה ומדוע הגילוי מתרחש במנות.
• באלקטרודינמיקה קלאסית מטען מואץ פולט קרינה. בשפת הסיבים, נוף מתחים שנכתב מחדש ללא הרף ממשיך להתקבץ ולפלוט ברצף.

VII. לסיכום

• פליטה ספונטנית מתרחשת כאשר מצב מעורר, שקיבל דחיפה קלה מרעש הים האנרגטי, חוצה את סף הפליטה ורותם את הרזרבה לחבילה.
• אור מגיע במנות בשל דיסקרטיות כפולה — סף התקבצות במקור וסף סגירה בקולט.
• מקורות האור כוללים פליטת קווים, קרינה תרמית, סינכרוטרון או עקמומיות וברמסשטראלונג, רקומבינציה, אנילציה, צרנקוב והמרות אי־ליניאריות — סגנונות הגשה שונים של אותו מנגנון תלת־שלבי.
• רוחב קו, כיוון וקוהרנטיות נקבעים יחד על ידי זמני חיים וסביבה, לצד גאומטריה ומתחים.
• לא כל הפרעה הופכת לאור למרחקים — נדרשים מעטפת שלמה, חלון מתאים וערוץ תואם.

משפט מסכם: אור הוא גל מקובץ בתוך ים אנרגטי, הדיסקרטיות נולדת מספים, המקור בוחר את הצבע, המסלול מעצב את הצורה והקולט מכריע את הקליטה.