6.2 Spontánní emise a původ světla

Domů ／ Kapitola 6: Kvantová oblast (V5.05)

I. Jeden mechanismus ve třech krocích: Uložení energie → Seskupení nad prahem → Vyzařování
Každý akt „vyzaření světla“ lze zestručnit do tří kroků:

• Uložení (energetická rezerva).
  V obrazu „vlákna – energetické moře“ Teorie energetických filamentů (EFT) odpovídají atomy, molekuly, pevné látky a plazma těsnějším či volnějším konfiguracím napětí. Zahřívání, elektrické urychlování, srážky svazků nebo chemické reakce „zvednou“ systém a uloží energii jako napěťovou rezervu (excitovaný stav, urychlený stav, ionizovaný stav aj.).
• Seskupení (překročení „prahu emise“).
  Jakmile vnitřní fáze vstoupí do příznivého intervalu, širokopásmové mikroporušování energetického moře dodá lehké postrčení. Lokální systém překročí práh a zabalí rezervu do koherentní obálky napěťové vlny – vznikne jeden světelný paket (který se při šíření projevuje jako „vlna“).
  Podstatné: seskupení je prahové. Pod prahem nic „neprosakuje napůl“, na prahu vzniká celý paket. Tato zdrojová diskrétnost je jedním z důvodů, proč světlo přichází po dávkách.
• Vyzařování a šíření (splnění „prahu dráhy“).
  Jak daleko paket dojde, určují prahy šíření: zda obálka zůstane koherentní, zda pásmo leží v okně průzračnosti a zda orientace/kanál odpovídá prostředí. Když ano, doletí daleko; když ne, je blízko zdroje pohlcen, zteplen nebo rozptýlen.
  Když paket dorazí k přijímači (elektron, molekula, pixel detektoru), musí překročit také práh uzavření, aby se započetl jako absorpce či re-emise – tento práh je nedělitelný, a proto se i na přijímači jeví vše „po paketech“.

Jednou větou: zdrojový práh seskupení určuje jak se emituje, práh dráhy jak daleko doletí a přijímací práh uzavření jak se převezme. Tento „řetězec prahů“ spojuje vlnové šíření s částicovým účetnictvím.

II. Proč může být „spontánní“ — emise i bez dopadajícího světla

• Excitované stavy se těžko udržují. Zvýšená konfigurace je v napěťovém smyslu „nákladná“; když se fáze blíží „povolené výdejní zóně“, systém přirozeně míří z kopce.
• Energetické moře má vždy šum pozadí. Nikdy není zcela klidné; širokopásmové mikroperturbace stále „klepou na dveře“.
• Klepnutí na práh spouští výdej. Když se trefí fáze a malý impuls, práh se překročí a světelný paket se zformuje a uvolní.
• Stimuluje-li se, jen se sníží práh. Vnější vlnění ve stejné fázi snižuje prah emise a fázově zamyká více výdejů (laser).

Proto spontánní emise vyplývá ze souhry excitace + šumu pozadí + prahu emise, nikoli z „magie z ničeho“.

III. Hlavní „způsoby vzniku světla“ (podle fyzikální příčiny)
Každá třída dodržuje stejnou trojici kroků — ulož – seskup – vydej —, liší se však v tom, odkud pochází rezerva, jak se práh překračuje a kterým kanálem se jde:

1. Liniová emise (sestup hladin v atomech/molekulách):
   • Rezerva: zvýšené elektronové konfigurace (excitace či opětovné zachycení po ionizaci).
   • Seskupení: fáze vstoupí do výdejní zóny; šum pozadí postrčí přes práh; koherentní obálka vystřelí; frekvence se zamkne „vnitřním rytmem“.
   • Emise: téměř izotropní; šířku čáry určuje doba života (kratší → širší) a drsnost prostředí (srážky, nehomogenity pole).
   • Zpožděné světlo (fluorescence/fosforescence): u metastabilních stavů se „dveře“ otevírají pozdě; objeví se zpoždění nebo soutěž kanálů před výdejem.
2. Tepelné záření (černé těleso a blízké případy):
   • Rezerva: nesčíslné mikroprocesy ve svrchních vrstvách si soustavně vyměňují energii.
   • Seskupení: bezpočet drobných paketů se opakovaně přepracovává na drsných rozhraních a „černá“, takže diskrétní děje se statisticky zprůměrují.
   • Emise: tvar spektra určuje teplota; téměř izotropní; malá koherence, nicméně emisivita a polarizace odrážejí povrchové napětí a drsnost.
3. Záření z urychlených nábojů (synchrotronní/křivostní a brzdné):
   • Synchrotron/křivost: nabité svazky jsou „nuceny zatáčet“ magnetickým polem či zakřivenou drahou; napěťová krajina se nepřetržitě přepisuje a „vylévá“ pakety — silně směrové, silně polarizované, širokopásmové.
   • Brzdné (bremsstrahlung): náhlé zpomalení ve silném Coulombově poli prudce změní krajinu; vzniká širokopásmový paket, zejména v hustých a vysoko-Z materiálech.
4. Rekombinace/znovuzachycení (volný elektron padá do „kapsy“ iontu):
   • Rezerva: iont zachytí elektron a přesune systém z „nákladného“ do „úspornějšího“.
   • Seskupení: energetický rozdíl překročí práh → vyzáří se paket.
   • Emise: výrazné série čar — klasický „neon“ mlhovin/plazmatu.
5. Annihilační záření (opačné páry se „rozvážou“):
   • Rezerva: stabilní protisměrné páry se setkají a rozpletou vlákna.
   • Seskupení → emise: téměř celá rezerva se změní ve dva či více protiběžných paketů (úzkopásmových, směrově spárovaných), např. ~0,511 MeV pár fotonů.
6. Čerenkovovo záření (kužel fázové rychlosti):
   • Rezerva: náboj se v médiu pohybuje rychleji než fázová rychlost média.
   • Seskupení → emise: po povrchu kužele se fáze souvisle „trhá“ a vzniká namodralá záře; kuželový úhel určuje fázová rychlost média.
   • Kanál: zvláštní případ, kdy práh dráhy zůstává v supra-fázovém režimu.
7. Nelinearita a směšování (konverze frekvence, součet/rozdíl, Raman):
   • Rezerva: vnější optické pole dodá energii; nelinearita média ji přerozdělí.
   • Seskupení → emise: pokud jsou splněny fázové podmínky a vhodný kanál, vzniká paket na nové frekvenci (stim. i spontánně); směrovost a koherence závisejí na geometrii a napětí materiálu.

IV. Tři „vzhledy“ dané základem: šířka čáry, směrovost, koherence

• Šířka čáry: kratší doba života → méně času „dosednout na frekvenci“ → širší čára; čím „hlučnější“ prostředí (srážky, hrubá pole), tím silnější dekoherence → čára dále širokne.
• Směrovost/Polarizace: určují je geometrie u zdroje a gradienty napětí. Volné atomy vyzařují spontánně téměř izotropně; u magnetických polí/kolimačních kanálů/rozhraní se záření stává silně směrovým a silně polarizovaným.
• Koherence: jednorázová emise je přirozeně koherentní; opakované přepracování vede k tepelnému světlu s nízkou koherencí; při stim. fázově zamčené emisi může být koherence velmi vysoká (laser).

V. Ne každé porušení se stane „světlem dlouhého dosahu“: prahy šíření třídí

• Nedostatečná koherence: obálka se u zdroje rozpadne a „seskupená vlna“ nevznikne.
• Chybné okno: pásmo spadne do silně absorpční oblasti a je pohlceno u zdroje.
• Nesoulad kanálu: chybí koridor s nízkou impedancí nebo nesedí orientace, energie rychle zaniká.

Světlo, které dolétne daleko, splní vždy tři podmínky: dostatečně neporušenou obálku, správné okno průzračnosti a odpovídající kanál. Většina ostatních porušení jen „probublává“ v blízkém poli.

VI. Vztah k existujícím teoriím

• Einsteinovy koeficienty spontánní/stimulované emise. Teorie energetických filamentů zpřítomňuje „spontánní pravděpodobnost“ jako klepání šumu + práh emise a „stimulaci“ jako fázový zámek + snížení prahu.
• Kvantová elektrodynamika (QED). QED chápe světlo jako kvanta pole a přesně počítá interakce. Teorie energetických filamentů dává materiálně-geometrické vysvětlení přes prahy seskupení → prahy dráhy → prahy uzavření: proč je emise diskrétní, proč šíření vychází a proč detekce probíhá po paketech.
• Klasická elektrodynamika („urychlený náboj září“). V řeči Teorie energetických filamentů trvale přepisovaná napěťová krajina trvale seskupuje a vyzařuje.

VII. Shrnutě

• Spontánní emise nastává, když excitovaný stav, lehce postrčen šumem energetického moře, překročí práh emise a sváže rezervu do paketu.
• Proč světlo přichází „po paketech“: dvojnásobná diskrétnost z práhu seskupení u zdroje a práhu uzavření u přijímače.
• Odkud světlo přichází: liniová emise, tepelné záření, synchrotronní/křivostní a brzdné záření, rekombinace, anihilace, Čerenkovovo záření a nelineární konverze — různé „servírovací styly“ téhož trojkrokového mechanismu.
• Šířka čáry – směr – koherence společně závisejí na době života/prostředí a geometrii/napětí.
• Ne každé porušení vytvoří světlo na dálku: nutná je neporušená obálka, správné okno a odpovídající kanál.

Závěrečná věta: Světlo je seskupená vlna v energetickém moři; diskrétnost vyrůstá z prahů; zdroj určuje barvu, dráha tvar a přijímač způsob přijetí.