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Warum sind Atome in hochenergetischen Zuständen im thermischen Gleichgewicht so selten?
In der Physik ist die Bedeutung des thermischen Gleichgewichts und der Verteilung von Energiezuständen für Naturphänomene offensichtlich. Wenn wir den Energiezustand eines Systems (wie etwa eines Atoms) diskutieren, stoßen wir häufig auf das Konzept der „Besetzungsinversion“. Dies ist in der Laserwissenschaft besonders wichtig, da Laser für ihre Funktion eine bestimmte Energieverteilung benötigen. Das bedeutet, dass sich mehr Atome in hochenergetischen Zuständen befinden müssen als in niedrigenergetischen Zuständen. Dies ist allerdings bei thermischem Gleichgewicht äußerst schwierig.
„Im thermischen Gleichgewicht ist die Zahl der hochenergetischen Atome nahezu vernachlässigbar.“
Um dies zu verstehen, müssen wir zunächst über die Boltzmann-Verteilung nachdenken. Gemäß der Boltzmann-Statistik wird in einem System im thermischen Gleichgewicht die sogenannte Energieniveauverteilung durch das Verhältnis der Teilchen bestimmt, die sich in unterschiedlichen Energiezuständen befinden. In einem aus Atomen bestehenden Lasermedium können diese Atome in zwei Energiezuständen existieren: Grundzustand und angeregter Zustand. Da die Energie des Grundzustands geringer ist als die des angeregten Zustands, ist bei Zimmertemperatur die Zahl der Atome im Grundzustand gemäß dem Boltzmann-Faktor in der Regel deutlich höher als im angeregten Zustand.
Es ist bekannt, dass bei steigender Temperatur einige Atome durch die Absorption von Photonen Energie gewinnen und in einen angeregten Zustand übergehen. Aber selbst wenn das System das thermische Gleichgewicht erreicht, wird die Anzahl der Atome im angeregten Zustand (N2) niemals die Anzahl im Grundzustand (N1) überschreiten. Wie Sie sich vorstellen können, ist dies eine Herausforderung für die Naturgesetze.
„Nur in einem Nichtgleichgewichtszustand kann eine Bevölkerungsumkehr erreicht werden.“
Das Prinzip des Lasers beruht auf drei Wechselwirkungen des Lichts: Absorption, natürliche Emission und stimulierte Emission. Wenn ein Lichtstrahl durch eine Gruppe von Atomen geht und die Frequenz des Lichts einer bestimmten Energiedifferenz entspricht, absorbieren die Atome im Grundzustand die Photonen und gehen in einen angeregten Zustand über. Allerdings geht dieser Prozess auch mit dem Auftreten von spontaner Strahlung und stimulierter Strahlung einher, was den Photonenaustauschprozess kompliziert macht. Wenn die Zahl der Atome im Grundzustand groß ist, dominiert der Absorptionsprozess, was zu einer Lichtdämpfung führt; wenn die Zahl der Atome im angeregten Zustand groß ist, kommt es zu einer Lichtverstärkung und Lasererzeugung.
Aus diesem Grund ist bei der Implementierung von Lasern zum Erreichen einer dauerhaften Besetzungsinversion häufig der Einsatz indirekter Methoden wie beispielsweise optisches Pumpen erforderlich. Bei einem Drei-Niveau- oder Vier-Niveau-Laser werden die Vorteile im Lasersystem dadurch erreicht, dass gezielt ein bestimmtes Energieniveau angeregt wird und nur wenige Atome im Hochenergiezustand gehalten werden.
„Drei- und Vier-Niveau-Laser weisen unterschiedliche Pump- und Verstärkungsprinzipien auf, und ihre Unterschiede in der Effizienz spiegeln wider, wie ein Gleichgewicht zwischen Hochenergiezuständen und dem Grundzustand erreicht werden kann.“
Es ist erwähnenswert, dass in vielen Systemen Auswahlregeln die Möglichkeiten zur Energieübertragung einschränken, was wir bei der Herstellung von Lasern berücksichtigen müssen. Beispielsweise können unterschiedliche Substanzen sehr unterschiedlich auf Laseremission reagieren und einige Übergänge können quantenmechanischen Auswahlregeln unterliegen, sodass ihre Lichtemission verzögert erfolgen kann, wie etwa bei der Phosphoreszenz.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im Zustand des thermischen Gleichgewichts die Anzahl der Atome mit hoher Energie gering ist, da in diesem Zustand die Anzahl der Atome im Grundzustand normalerweise viel größer ist als die der Atome im angeregten Zustand. Um dieses Gleichgewicht zu durchbrechen und eine Mehrzahl hochenergetischer Zustände zu erreichen, ist externe Energie zum Antrieb des Systems erforderlich, beispielsweise durch optische Pumptechnologie. Dies wirft eine zentrale Frage auf: Können wir wirksame Wege finden, in unserem Alltag einen Zustand der Bevölkerungsumstellung herbeizuführen und aufrechtzuerhalten, um eine effizientere Lasertechnologie zu ermöglichen?
