Big Bang HTL 4, Schulbuch

132 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) Wenn auf ein Elektron das passende Photon trifft, dann wird es auf ein höheres Energieniveau gehoben. Dann gibt es zwei Möglichkeiten. Bei einem „normalen“ Quanten- sprung fällt das angeregte Elektron nach kurzer Zeit ohne äußere Einflüsse wieder auf das Grundniveau zurück und sendet dabei ein Photon aus (Abb. 14.11 a). Man spricht in diesem Fall von einer spontanen Emission (= Aussendung) des Photons. Weder der Zeitpunkt des Rücksprungs noch die Richtung, in der das Photon wegfliegt, können vorhergesagt werden – typisch Quantenwelt eben. Abb. 14.11: Die zwei Möglichkeiten der Emission eines Photons: Beim Laser spielt die stimulierte Emission eine große Rolle. Wenn aber auf das bereits angeregte Elektron nochmals ein gleiches Photon trifft, dann wird das Elektron wieder auf das Grundniveau „zurückgerissen“. Das verursachende und das dabei entstehende Photon sind vollkommen identisch (14.11 b). Weil der Rücksprung in diesem Fall nicht spontan erfolgt, sondern vom heranfliegenden Photon angeregt wird, spricht man von einer stimulierten Emission ( F6 ). Bei einem stabilen Zustand ist die potenzielle Energie im- mer ein Minimum. Wie ist das mit der Kugel in Abb. 14.10 a ( F7 )? Wenn sie nicht allzu stark ausgelenkt wird, ist sie stabil. Wenn man sie aber etwas stärker anstupst, dann wird sie in einen noch stabileren Zustand übergehen (b), quasi in den Grundzustand. Zustände ähnlich wie in Abb. 14.10 a nennt man in der Physik generell metastabil . Die griechische Silbe „meta“ bedeutet „zwischen“. Meta- stabilität bedeutet also „Zwischenstabilität“ und ist eine „schwache“ Form der Stabilität. Auch bei Elektronenorbitalen gibt es unter ganz bestimm- ten - aber seltenen - Bedingungen Metastabilität. Während bei einem Elektron normalerweise Verweildauer und Rück- sprung in Summe etwa 10 –8 s dauern, dauert es bei einem metastabilen Niveau einige Tausendstel Sekunden (10 –3 s), also 100.000-mal länger (Abb. 14.12 b). Für ein angeregtes Elektron ist das eine halbe Ewigkeit. Abb. 14.12: Modellhafte Vorstellung von angeregten Energieniveaus: a) Die Kugel ist nicht stabil und rollt sofort zurück. b) Kleine Störungen sind möglich, ohne dass die Kugel aufs Grundniveau zurückrollt. Das entspricht einem metastabilen Zustand. Zusammenfassung Bei einer stimulierten Emission wird das zweite ankommen- de Photon quasi verdoppelt. Ein Objekt im metastabilen Zu- stand ist stabil gegenüber kleinen Einflüssen, es befindet sich aber in seiner Nähe ein energetisch noch günstigerer Zustand. 14.4 Zusammenhängendes Licht Der Laser Laser sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Zum Beispiel befindet sich in jedem CD-, DVD- oder Blu Ray-Lauf- werk einer und in der Scannerkasse im Supermarkt. Aber was ist eigentlich das Besondere daran? Der Laser ist eine Entwicklung, die auf den Erkenntnissen der Quantenmechanik beruht. Er wurde um 1960 von T HEODORE M AIMAN entwickelt (Abb. 14.13). Auch beim Laser werden die Photonen durch Quantensprünge erzeugt. Im Gegensatz zu allen anderen Lichtquellen agieren dabei die Elektronen aber als Kollektiv und erzeugen Licht, das aus völlig identischen Photonen besteht. Man sagt dazu kohä- rentes Licht (Abb. 14.14) , das bedeutet so viel wie „zusam- menhängend“. Um kohärentes Licht zu erzeugen, muss man Metastabilität mit stimulierter Emission verbinden. Sehen wir uns dazu den ersten je gebauten Laser an (Abb. 14.15), weil man an diesem das Prinzip am einfachsten erkennt. Das Material, das metastabile Niveaus ermöglicht, ist dabei ein Rubin- kristall . Um diesen herum befindet sich eine spiralförmige Blitzlampe. Diese erzeugt einen Lichtblitz und hebt damit die Elektronen des Rubins auf ein höheres, „normales“ Ener- gieniveau (Abb. 14.15 a). Z Was ist eigentlich das Besondere am Laser? Was hat er, was eine Glühbirne nicht hat? Und was bedeutet das Wort überhaupt? Was versteht man unter einem Halbleiter? Lies nach in Kap. 17.4, NAWI I! Was versteht man unter Valenz- elektronen? F9 F10 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv