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Beispiele

Durch Stoßanregung wird unter anderem die Flammenfärbung durch Alkali- und Erdalkalimetalle erklärt. Dort wird die Energiezufuhr durch Stöße zwischen den Atomen (und Molekülen) in der heißen Flamme – also durch Wärme – erzeugt.

Auch bei in Gasentladungsröhren (z. B. Neonröhren) erzeugtem Licht ist Stoßanregung im Spiel. Der Entladungsstrom verursacht Stöße zwischen freien Elektronen und den Atomen.

Ionisierende Strahlung kann Atome aus ihren Gitterplätzen herausschlagen. Wenn diese nicht mehr in ihre Ursprungsposition zurück gelangen, entstehen Kristallfehler, die unter Umständen lange bestehen bleiben. Dies stellt eine Energiespeicherung dar. Durch Thermolumineszenz lassen sich diese metastabilen angeregten Zustände in Licht zurückverwandeln. Verursachen Neutronen diese Gitterfehler in Graphit, spricht man von Wigner-Energie.

Um die Besetzung angeregter Zustände in Vielteilchensystemen zu charakterisieren, wird oft auf eine Beschreibung durch Quasiteilchen zurückgegriffen. Beispielsweise wird die Anregung von Gitterschwingungen in einem Kristall zweckmäßigerweise durch die Erzeugung von Phononen beschrieben.

Besetzungsinversion

Besetzungsinversion (lateinisch inversio , Umkehr) ist ein Begriff aus der Physik, genauer der Quantenmechanik und beschreibt den Zustand eines Systems, in dem mehr Teilchen einen energetisch höheren Zustand

E

2 besetzen als den energetisch niedrigeren Zustand E

1 . Dies ist im thermischen Gleichgewicht nach der Boltzmann-Verteilung nicht möglich, wenn eine einheitliche Temperatur T vorausgesetzt wird. Im thermischen Gleichgewicht gilt die Boltzmann-Gleichung:

,

Hier ist N

1 die Dichte der Teilchen im unteren Zustand, N

2 die Dichte der Teilchen im oberen Zustand, g

i die statistischen Gewichte der Zustände und E

i deren Energie. k

B ist die Boltzmann-Konstante.

Eine Besetzungsinversion liegt dann vor,

wenn gilt: .

Da ein System danach strebt, seine Entropie zu maximieren, ist die Besetzungsinversion nicht stabil und muss durch Energiezufuhr, das sogenannte Pumpen , künstlich herbeigeführt und aufrechterhalten werden. Das Pumpen muss selektiv erfolgen, so dass nur ausgewählte Niveaus der Teilchen stärker besetzt werden. Eine häufige Art des Pumpens ist das optische Pumpen, wobei Blitzlampen oder die Strahlung anderer Laser genutzt werden.

Die Energie des Photons ist proportional zu seiner Frequenz ν :

,

Planck-Konstante

Beim optischen Pumpen wird Besetzungsinversion erreicht, wenn Photonenenergie der Pumpquelle und die Energiedifferenz zwischen dem Grund- und einem höher angeregten elektronischen Zustand des Teilchens übereinstimmen.

Eine andere Form der selektiven Anregung ist der Stoß mit einem anderen angeregten Teilchen (B), das durch Abregung die Energiedifferenz austauschen kann, um das erste Teilchen (A) in den höher angeregten Zustand zu bringen. Um die Teilchen der Sorte B nach der Stoßabregung wieder in den angeregten Zustand zu bringen, wird ihnen Energie, z. B. durch Elektronenstöße, zugeführt (siehe He-Ne-Laser). Die Energie kann in Form einer elektrischen Entladung