간단한 용어 정리 아는대로 해 봄.
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- 양자역학에서 자발방출이 자극방출의 일종이란걸 배움.
1) 자극 흡수, 자발 방출, 자극 방출에 대한 용어 설명
본격적으로 설명하기 전에 들뜬 상태(excited state)를 여기(勵起) 상태라고도 한다는 걸 알아두자.
(a) 자극 흡수(Stimulated Absorption)
유도 흡수(Induced Absorption)라고도 함.
입사된 빛을 흡수하여 바닥상태의 원자가 여기 상태로 전이하는 과정.
(b) 자발 방출(Spontaneous Emission)
자연 방출(Natural Emission)이라고도 함.
여기 상태의 원자가 자발적으로 바닥 상태로 전이되는 과정에서 빛을 방출하는 과정.
(c) 자극 방출(Stimulated Emission)
유도 방출(Induced Emission)이라고도 함.
입사된 빛에 의해서 여기 상태의 원자가 입사광과 같은 특성을 가진 빛을 방출하면서 바닥상태로 전이하는 과정.
요약하자면 '방출'은 자발/자극 둘 다 있는데 '흡수'는 왜 자극만 있는 거임? 이라는 의문에서 나온 게시물로 파악됨.
(물론, 이렇게 간단하게 생각한 건 아니고 합리적인 이유가 있는 것으로 생각됨.)
이 게시물에서는 다른 주제에 대해 더 알아보자.
2) 그래서 자발 방출이랑 자극 방출이 뭐가 다른데?
용어 정리에서 설명했듯이
자발 방출과 자극 방출은 둘 다 여기 상태의 원자라는 공통점이 있고
자발 방출은 여기 상태의 원자가 자발적으로 바닥 상태로 전이하는 과정에서 빛을 방출하는 과정인데에 반해,
자극 방출은 '입사된 빛'에 의해 여기 상태의 원자가 입사광과 같은 특성을 가진 빛을 방출하면서 바닥상태로 전이하는 과정임.
'입사된 빛'이 여기 상태의 원자에 어떻게 작용하는지는 미뤄두고 '입사된 빛'이 왜 중요할까?
이 그림에서 알 수 있듯, 자극 방출은 빛이 겹쳐서 나올 수 있어 '광증폭(Light Amplification)' 현상이 일어나기 쉬움.
(나노입자에 의한 광사태(Photon Avalanche)와 다른 현상)
이게 왜 그러냐면,
자발 방출(좌)은 위상과 방향이 서로 다른데에 반해
자극 방출(우)은 위상과 방향이 서로 동일해서
자극 방출에 의해 빛이 증폭되기 쉬운 거임.(가간섭성)
3) 이 이론 누가 제안한 거임?
다들 그림에서 알 수 있겠지만, 자극 흡수와 자발 방출까지는 이미 보어가 제시한 흡수/방출 모델임
즉, 자극 방출은 보어가 아닌 다른 누군가가 제안한 방출 모델이라는 건데...
누굴까...?
어 형이야
형은 1917년에 '복사의 양자이론(방사양자설)'이라는 논문에서 자극 방출 모델을 제시했어
그래그래 아인슈타인이 38세에 2년간 양자역학에 관한 세 개의 논문을 차례로 쓰는데 그 중 마지막 논문
"Zur Quantentheorie der Strahlung" [On the Quantum Mechanics of Radiation]. Physikalische Zeitschrift (in German). 18: 121–128.
에서 자극 방출 모델이 제시된 건 사실이야.
이 논문에 광증폭 원리가 수식적으로 증명되어 있음.
그리고 1954년, Charles Hard Townes라는 과학자가 자극 방출에 의한 마이크로파 증폭을 실험적으로 증명하는데 성공했음.
4) 그래서 이거 어디다가 씀?
뭐 다들 감이 왔겠지만, 바로 레이저(LASER)에 사용돼.
많은 사람들이 레이저(LASER)가 어떤 표현의 약자(略字)인 걸 모르더라고
레이저(LASER)는
Light 빛
Amplification by the 증폭
Stimulated 유도
Emission of 방출에 의한
Radiation 복사
간단히 유도방출광선증폭이라고 할 수 있겠어.
그래서 레이저를 LASER라고 쓰지 않고 RAZER 같이 쓰는 사람들이 꽤 있는데 이건 틀린 철자임.
(RAZER는 브랜드 이름이던가?)
전에 1954년, Charles Hard Townes라는 과학자가 자극 방출에 의한 마이크로파 증폭을 실험적으로 증명하는데 성공했다고 했잖음?
이 Charles Hard Townes와 과학자 Arthur Leonard Schawlow가 마이크로파의 증폭 원리를 빛으로 확장하여 레이저를 제안하고
1960년에 Maiman이라는 사람이 파장 694.3nm 광선이 나오는 루비레이저를 발명함.
(사실 자극 방출만으로 레이저를 만들기는 힘들고 밀도 반전(Population Inversion), 펌핑, 레이저 매질 등과 같은 개념이 필요하긴 한데 생략.)
5) 한계점
한계라기에는 좀 그렇고, 디테일 문제라고 해야 하나?
아까 설명할 때 주구장창 이 보어 원자 모델을 사용해서 설명했는데
다들 알다시피 보어의 원자 모델은 사실 문제가 있잖아?
바로 전자 궤도는 없다(오비탈), 전자 또한 파동성을 가진다의 문제임.
사실 거시적인 입장에서 보면 보어의 원자 모델도 어느 정도 맞는 말인데
솔직히 디테일하지 않은 건 사실이잖아?
이런 모델을 고전적 양자 모델이라고 함.(초기 양자론이라고도 함.)
그래서 이 디테일이 부족한 점을 채우기 위해 '양자역학'에서 섭동(Perturbation), 진공에너지와 같은 양자역학적 개념을 통해 더 디테일하게 자극 흡수, 자발 방출, 자극 방출, 레이저, 여기 상태 등에 대해 배우는 걸로 앎.
+) 더 읽어볼 것
- Spontaneous excitation of an accelerated atom: The contributions of vacuum fluctuations and radiation reaction (Physical Review A)
- 최초의 레이저는 어디에서 (네이버 블로그)
- https://www.informationphilosopher.com/solutions/scientists/einstein/1917_Radiation.pdf
- 레이저 소개
