Language
Country/Area
No result found
Tại sao các nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao lại hiếm khi ở trạng thái cân bằng nhiệt?
Trong vật lý, tầm quan trọng của cân bằng nhiệt và sự phân bố các trạng thái năng lượng đối với các hiện tượng tự nhiên là điều hiển nhiên. Khi thảo luận về trạng thái năng lượng của một hệ thống (chẳng hạn như nguyên tử), chúng ta thường gặp phải khái niệm “sự đảo ngược dân số”. Điều này đặc biệt quan trọng trong khoa học laser, vì hoạt động của laser đòi hỏi sự phân bố năng lượng đặc biệt, tức là phải có nhiều nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp. Tuy nhiên, trong trường hợp cân bằng nhiệt thì điều này cực kỳ khó khăn.
"Ở trạng thái cân bằng nhiệt, số lượng nguyên tử năng lượng cao gần như không đáng kể."
Để hiểu điều này, trước tiên bạn cần xem xét phân bố Boltzmann. Theo thống kê của Boltzmann, trong một hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt, cái gọi là sự phân bố mức năng lượng được xác định bởi tỷ lệ các hạt chiếm các trạng thái năng lượng khác nhau. Trong môi trường laser gồm các nguyên tử, các nguyên tử này có thể tồn tại ở hai trạng thái năng lượng: trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích. Năng lượng của trạng thái cơ bản thấp hơn năng lượng ở trạng thái kích thích nên ở nhiệt độ phòng, số lượng nguyên tử ở trạng thái cơ bản thường cao hơn nhiều so với trạng thái kích thích theo hệ số Boltzmann.
Người ta biết rằng khi nhiệt độ tăng lên, một số nguyên tử thu được năng lượng bằng cách hấp thụ các photon và chuyển sang trạng thái kích thích. Nhưng ngay cả như vậy, khi hệ đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt thì số nguyên tử ở trạng thái kích thích (N2) sẽ không bao giờ vượt quá số nguyên tử ở trạng thái cơ bản (N1). Như bạn có thể tưởng tượng, đây là một thách thức khi đối mặt với quy luật tự nhiên.
"Sự đảo ngược nhân khẩu học chỉ có thể đạt được trong trạng thái không cân bằng."
Nguyên lý của laser dựa trên ba tương tác của ánh sáng: hấp thụ, bức xạ tự nhiên và phát xạ kích thích. Khi một chùm ánh sáng đi qua một nhóm nguyên tử, nếu tần số của ánh sáng phù hợp với một chênh lệch năng lượng nhất định thì các nguyên tử ở trạng thái cơ bản sẽ hấp thụ các photon và chuyển sang trạng thái kích thích. Tuy nhiên, quá trình này cũng đi kèm với sự xuất hiện của phát xạ tự phát và phát xạ kích thích, làm phức tạp quá trình trao đổi photon. Nếu số lượng nguyên tử ở trạng thái cơ bản lớn thì quá trình hấp thụ chiếm ưu thế, dẫn đến sự suy giảm ánh sáng; ngược lại nếu số lượng nguyên tử ở trạng thái kích thích lớn thì quá trình tăng cường ánh sáng và phát ra ánh sáng laser sẽ xảy ra.
Đây là lý do tại sao trong quá trình triển khai tia laser, các phương pháp gián tiếp, chẳng hạn như bơm quang học, thường được yêu cầu để đạt được sự đảo ngược dân số lâu dài. Trong laser ba cấp hoặc bốn cấp, bằng cách kích thích có chọn lọc một mức năng lượng nhất định, chỉ một số nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao được duy trì, nhờ đó đạt được những ưu điểm của hệ thống laser.
"Laser ba cấp và bốn cấp thể hiện các nguyên lý bơm và khuếch đại khác nhau, đồng thời sự khác biệt về hiệu suất của chúng phản ánh cách đạt được sự cân bằng giữa trạng thái năng lượng cao và trạng thái cơ bản."
Điều đáng chú ý là trong nhiều hệ thống, các quy tắc lựa chọn hạn chế khả năng truyền năng lượng, điều mà chúng ta phải xem xét khi chế tạo tia laser. Ví dụ, các chất khác nhau có thể phản ứng rất khác nhau với sự phát xạ laser, và một số chuyển tiếp nhất định có thể tuân theo các quy tắc chọn lọc do cơ học lượng tử chi phối, do đó sự phát quang của chúng có thể bị trì hoãn bởi các hiện tượng như lân quang.
Tóm lại, trạng thái cân bằng nhiệt làm cho số lượng nguyên tử năng lượng cao trở nên khan hiếm, vì ở trạng thái này, số nguyên tử ở trạng thái cơ bản thường lớn hơn nhiều so với số lượng trạng thái kích thích. Để phá vỡ sự cân bằng này và đạt được phần lớn các trạng thái năng lượng cao, cần sử dụng năng lượng bên ngoài để điều khiển hệ thống, chẳng hạn như thông qua công nghệ bơm quang học. Điều này đặt ra một câu hỏi quan trọng: liệu có thể tìm ra những cách hiệu quả để tạo ra và duy trì tình trạng đảo ngược dân số trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta nhằm hỗ trợ các công nghệ laser hiệu quả hơn không?
