Struttura della Materia - INFN Napoli

Struttura della Materia 123
Consideriamo un fascio di luce incidente eccitato in singolo ben definito modo
della cavità, che è così stretta da poter trascurare l’attenuazione del fascio che
attraversa il volume occupato dagli atomi. Supponiamo che la frequenza della
luce sia risonante con una transizione atomica a cui corrispondano i coefficienti
di Einstein A e B. I tre processi che avvengono hanno proprietà direzionali
diverse, La caratteristica più importante è che la luce prodotta per emissione
stimolata dagli atomi eccitati appare nello stesso modo della cavità che dà luogo
all’emissione. La luce emessa ha le stesse proprietà di fase del fascio incidente.
Perciò l’emissione stimolata tende ad amplificare l’intensità del fascio incidente
mantenendo tutte le sue altre proprietà inalterate.
D’altra parte la luce prodotta per emissione spontanea è completamente indipendente
dal fascio incidente e può essere in un qualunque modo della cavità
che soddisfi la conservazione dell’energia. La direzione di propagazione della luce
spontaneamente emessa è orientata a caso rispetto a quella del fascio di luce
incidente. La fase della luce emessa è arbitraria.
Una volta che la luce e gli atomi hanno raggiunto uno stato di equilibrio
stazionario, i numeri medi degli atomi (N1 e N2) negli stati inferiore e superiore
restano costanti. Quando il fascio di luce attraversa il gas di atomi i processi
ai assorbimento rimuovono in modo stazionario fotoni di energia ~ω. Gli atomi
così eccitati ritornano infine nei loro stati fondamentali e possono rimpiazzare fotoni
nel fascio incidente per emissione stimolata. Raggiunto lo stato stazionario
non c’è trasferimento netto di energia tra fascio di luce incidente e atomi. Tuttavia,
poichè alcuni degli atomi ritornano allo stato fondamentale per emissione
spontanea, una frazione
A
A + Bρ (ω) =
1
1+π 2 c 3 ρ (ω) /~ω 3
(68)
dell’energia assorbita è riemessa in direzioni casuali, e solo una piccola parte è
accidentalmente irradiata nella direzione del fascio incidente.
L’emissione spontanea dà luogo perciò ad una diffusione (scattering) della
luce e ad una conseguente attenuazione del fascio incidente.Questa diffusione è la
sorgente microscopica del coefficiente di assorbimento. Nonostante l’impressione
data del termine ‘coefficiente di assorbimento’ l’energia persa dal fascio incidente
in condizioni stazionarie non è assorbita dagli atomi, ma è scatterata in altre
direzioni. Lo stesso fenomeno fisico elementare può essere studiato sperimentalmente
sia con misure del coefficiente di assorbimento che osservando l’intensità
della luce scatterata.
Del peso relativo tra i due processi di emissione A/Bρ (ω) abbiamo già discusso.
Anche le sorgenti luminose convenzionali (per esempio la lampada al mercurio)
più potenti hanno una intensità insufficiente ad eguagliare la velocità di
emissione spontanea a quella indotta. Con fasci di luce da queste sorgenti quasi
tuttiifotoniassorbitidagliatomisonoreirradiatiperemissionespontaneaesono