Direkt zum Inhalt

Lexikon der Optik: Emission

Emission, Ausstrahlung, die Aussendung von Licht. Der Elementarprozeß der E. spielt sich in der Regel in Atomen und Molekülen ab. Dazu ist erforderlich, daß das atomare System angeregt ist, sich also in einem höheren Energieniveau 2 befindet. Im Verlauf der E. geht es dann in ein tieferes Niveau 1, normalerweise in den Grundzustand, über. Damit verbunden ist die Aussendung eines elementaren Wellenzuges. Dessen Energie ist gleich dem Unterschied E2-E1 der beiden Energieniveaus, und seine Frequenz ist durch die Bohrsche Frequenzbedingung νr=(E2-E1)/h gegeben, wobei h die Plancksche Konstante bezeichnet. Falls das atomare System bei der Ausstrahlung keiner, oder jedenfalls nur schwacher Lichtstrahlung bei der Resonanzfrequenz νr ausgesetzt ist, spricht man von spontaner E. Da bei der Anregung normalerweise verschiedene Niveaus besetzt werden, emittiert ein Stoff bei unterschiedlichen Frequenzen, d.h., es treten verschiedene Spektrallinien auf, die für die betreffende Substanz charakteristisch sind. Im Teilchenbild erscheint der Ausstrahlungsvorgang als ein sprunghafter Übergang (Quantensprung), bei dem ein Photon momentan in einer bestimmten Richtung emittiert wird. Tatsächlich lassen sich mit Hilfe von Photomultipliern die Zeitpunkte messen, zu denen Photonen von einzelnen, alle zur gleichen Zeit t=0 angeregten Atomen oder Molekülen emittiert werden (Ultrakurzzeitspektroskopie). Die Häufigkeit dw, mit der ein Detektor in einem Zeitintervall t bis t+dt anspricht, folgt dabei einem Exponentialgesetz dw=const exp{-Γt}dt. Daraus schließt man, daß sich zur Zeit t der Bruchteil exp{-Γt} der angeregten Atome noch im Anregungszustand befindet oder, anders ausgedrückt, daß für den angeregten Zustand ein exponentielles Zerfallsgesetz gilt. Die Atome halten sich also mehr oder weniger lange im oberen Niveau auf; der Mittelwert dieser Zeit, die mittlere Lebensdauer τ des angeregten Zustandes, ergibt sich gerade zu τ=1/Γ. Der Teilchenaspekt der E. tritt im besonderen bei der Beam-Foil-Spektroskopie in Erscheinung.

Im Wellenbild hat man sich die E. in Analogie zu der Ausstrahlung eines Hertzschen Oszillators so vorzustellen, daß das atomare System einen elementaren Wellenzug, d.h. eine in Ausbreitungsrichtung endlich ausgedehnte Welle, mit der Richtungscharakteristik der Dipolstrahlung aussendet. Die Dauer der E. ist bei Übergängen in den Grundzustand mit der mittleren Lebensdauer τ des angeregten Niveaus gleichzusetzen. Entsprechend ist die Ausdehnung Δr des emittierten Wellenzuges in radialer Richtung gegeben durch Δr=cτ, wobei c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Von großer physikalischer Bedeutung ist der Umstand, daß die Phasen der elementaren Wellenzüge statistisch zufällige Werte annehmen. Das hat zur Folge, daß die Gesamtstrahlung einer aus vielen mikroskopischen Sendern zusammengesetzten makroskopischen Lichtquelle starken Schwankungen unterworfen ist (thermisches Licht). Die endliche Ausdehnung der elementaren Wellenzüge bedingt nach der Frequenz-Zeit-Unschärfebeziehung eine endliche Linienbreite Δν≈1/τ der Elementarwellen, die natürliche Linienbreite. Die Linienbreite der Gesamtstrahlung ist allerdings normalerweise aufgrund anderer Einflüsse weitaus größer (Linienbreite).

Teilchen- und Wellenaspekt der E. schließen sich, jedenfalls aus klassischer Sicht, gegenseitig aus. Nichtsdestoweniger haben sie beide ihre Berechtigung. Welcher von ihnen zutrifft, hängt von der Art der Messung ab.

Befindet sich das angeregte Atom oder Molekül bereits im Feld einer intensiven Lichtwelle, so findet bei Vorliegen von Resonanz induzierte (stimulierte) E. statt. Dieser Prozeß trägt wesentlich andere Züge als die spontane E. Das vorhandene Feld erzeugt (induziert) an den atomaren Systemen elektrische Dipolmomente, die mit der Lichtfrequenz schwingen und zugleich eine feste Phasenlage zum äußeren Feld besitzen. Ist daher letzteres kohärent in dem Sinne, daß seine Phase sowohl räumlich als auch über längere Zeit hinweg konstant ist, so gilt das gleiche für die induzierten Dipolmomente, die somit im Gleichtakt oszillieren und sich so zu einem makroskopischen Gesamtdipolmoment addieren. Das hat zur Folge, daß die durch induzierte E. erzeugte Strahlung hinsichtlich Ausbreitungsrichtung, Frequenz (einschließlich Linienbreite) und Polarisation mit der induzierenden Strahlung übereinstimmt. Auf diese Weise kommt es zu einer idealen Verstärkung des induzierenden Feldes, wobei die angeregten atomaren Systeme ihre Energie um so schneller an das Feld abgeben, je intensiver letzteres ist. Entsprechend wächst die auf die Zeiteinheit bezogene Übergangswahrscheinlichkeit für die induzierte E. eine Photons bei monochromatischer Einstrahlung linear mit der Intensität der induzierenden Strahlung an (Einstein-Koeffizient).

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

  • Die Autoren
Roland Barth, Jena
Dr. Artur Bärwolff, Berlin
Dr. Lothar Bauch, Frankfurt / Oder
Hans G. Beck, Jena
Joachim Bergner, Jena
Dr. Andreas Berke, Köln
Dr. Hermann Besen, Jena
Prof. Dr. Jürgen Beuthan, Berlin
Dr. Andreas Bode, Planegg
Prof. Dr. Joachim Bohm, Berlin
Prof. Dr. Witlof Brunner, Zeuthen
Dr. Eberhard Dietzsch, Jena
Kurt Enz, Berlin
Prof. Joachim Epperlein, Wilkau-Haßlau
Prof. Dr. Heinz Falk, Kleve
Dr. Wieland Feist, Jena
Dr. Peter Fichtner, Jena
Dr. Ficker, Karlsfeld
Dr. Peter Glas, Berlin
Dr. Hartmut Gunkel, Berlin
Dr. Reiner Güther, Berlin
Dr. Volker Guyenot, Jena
Dr. Hacker, Jena
Dipl.-Phys. Jürgen Heise, Jena
Dr. Erwin Hoffmann, Berlin (Adlershof)
Dr. Kuno Hoffmann, Berlin
Prof. Dr. Christian Hofmann, Jena
Wolfgang Högner, Tautenburg
Dipl.-Ing. Richard Hummel, Radebeul
Dr. Hans-Jürgen Jüpner, Berlin
Prof. Dr. W. Karthe, Jena
Dr. Siegfried Kessler, Jena
Dr. Horst König, Berlin
Prof. Dr. Sigurd Kusch, Berlin
Dr. Heiner Lammert, Mahlau
Dr. Albrecht Lau, Berlin
Dr. Kurt Lenz, Berlin
Dr. Christoph Ludwig, Hermsdorf (Thüringen)
Rolf Märtin, Jena
Ulrich Maxam, Rostock
Olaf Minet, Berlin
Dr. Robert Müller, Berlin
Prof. Dr. Gerhard Müller, Berlin
Günter Osten, Jena
Prof. Dr. Harry Paul, Zeuthen
Prof. Dr. Wolfgang Radloff, Berlin
Prof Dr. Karl Regensburger, Dresden
Dr. Werner Reichel, Jena
Rolf Riekher, Berlin
Dr. Horst Riesenberg, Jena
Dr. Rolf Röseler, Berlin
Günther Schmuhl, Rathenow
Dr. Günter Schulz, Berlin
Prof. Dr. Johannes Schwider, Erlangen
Dr. Reiner Spolaczyk, Hamburg
Prof. Dr. Peter Süptitz, Berlin
Dr. Johannes Tilch, Berlin (Adlershof)
Dr. Joachim Tilgner, Berlin
Dr. Joachim Träger, Berlin (Waldesruh)
Dr. Bernd Weidner, Berlin
Ernst Werner, Jena
Prof. Dr. Ludwig Wieczorek, Berlin
Wolfgang Wilhelmi, Berlin
Olaf Ziemann, Berlin


Partnerinhalte