原子躍遷輻射

原子（或分子、離子）總是力圖使自己的能量狀態處於基態上，被激發到高能級後的粒子，力圖回到基態上去，與此同時放出激發時所吸收的能量。

簡介

基態是粒子能量最平衡最穩定的狀態，從高級回到低能級去的過程稱為躍遷，躍遷時釋放的能量即輻射。躍遷的形式有以下幾種：

形式

自發躍遷

不受外界能量的影響，只是由於原子內部運動規律所導致的躍遷稱為自發躍遷。這種躍遷釋放能量的形式又有兩種：一種是變為熱運動釋放能量，叫做無輻射躍遷；另一種是以光的形式將能量輻射出來，叫做自發輻射躍遷。自發輻射出來的光頻率γ，由發生躍遷的兩能級間之能量差所決定。 普通光源如白熾燈、日光燈、高壓水銀燈、氙燈等都是通過自發躍遷輻射產生光，這種光是非相干光。

受激躍遷

由於入射光子的感應或激勵，導致激發原子從高能級躍遷到低能級去，這個過程稱為受激躍遷或感應躍遷。這種躍遷輻射叫做“受激輻射”。受激輻射出來的光子與入射光子有著同樣的特徵，如頻率、相位、振輻以及傳播方向等完全一樣。這種相同性就決定了受激輻射光的相干性。入射一個光子引起一個激發原子受激躍遷，在躍遷過程中，輻射出兩個同樣的光子，這兩個同樣的光子又去激勵其它激發原子發生受激躍遷，因而又獲得4個同樣的光子。如此反應下去，在很短的時間內，輻射出來大量同模樣、同性能的光子，這個過程稱為“雪崩”。雪崩就是受激輻射光的放大過程。受激輻射光是相干光，相干光有疊加效應，因此合成光的振幅加大，表現為光的高亮度性。

激發壽命與躍遷機率取決於物質種類的不同。處於基態的原子可以長期的存在下去，但原子激發到高能級的激發態上去以後，它會很快地並且自發地躍遷回到低能級去。在高能級上滯留的平均時間，稱為原子在該能級上的“平均壽命”，通常以符號“τ”表示。一般說，原子處於激發態的時間是非常短的，約為10－8秒。

激發系統在1秒內躍遷回基態的原子數目稱為“躍遷機率”，通常以“A”表示。大多數同種原子的平均躍遷機率都有固定的數值。躍遷率A與平均壽命τ的關係：A=1/τ

由於原子內部結構的特殊性，決定了各能級的平均壽命長短不等。例如紅寶石中的鉻離子E3的壽命非常短，只有10－9秒，而E2的壽命比較長，約為數秒。壽命較長的能級稱為“亞穩態”。具有亞穩態原子、離子或分子的物質，是產生雷射的工作物質，因亞穩態能更好地為粒子數反轉創造條件。