6.2 Spontan emission og lysets oprindelse

Hjem ／ Kapitel 6: Kvantedomænet (V5.05)

I. Én mekanisme i tre trin: Energilagring → Klyngedannelse over tærskel → Udsendelse
Enhver begivenhed, hvor noget “udsender lys”, kan samles i tre trin:

• Lagre (energilager).
  I billedet “filamenter – energihav” fra Teorien om energifilamenter (EFT) svarer atomer, molekyler, faste stoffer og plasma til mere stramme eller løsere spændingskonfigurationer. Ved opvarmning, elektrisk acceleration, strålesammenstød eller kemiske reaktioner bliver systemet “løftet” og lagrer energi som et spændingslager (exciteret tilstand, accelereret tilstand, ioniseret tilstand osv.).
• Klynge (overskride “emissionstærsklen”).
  Når den interne fase kommer ind i et gunstigt område, giver energihavets bredbåndede baggrundsuro et lille skub. Det lokale system passerer tærsklen og pakker lageret i en kohærent spændingsbølge-omslag – én lyspakke (som på rejsen arter sig som en “bølge”).
  Kernepunkt: klyngedannelse styres af en tærskel. Under tærsklen “siver” intet i halve portioner; ved tærsklen dannes en hel pakke. Denne diskrethed på kildesiden er en grund til, at lys kommer portionalt.
• Udsend og forplant (opfyld “banetærsklen”).
  Hvor langt pakken når, afgøres af forplantningstærskler: om omslaget forbliver kohærent, om båndet ligger i et transparensvindue, og om orientering/kanal passer til mediet. Hvis ja, rejser den langt; ellers absorberes, termaliseres eller spredes den nær kilden.
  Når pakken møder en modtager (elektron, molekyle, detektorpixel), skal den også passere en lukketærskel for at tælle som absorption eller re-emission — tærsklen er udelelig, så også modtagelsen fremstår “pakke for pakke”.

I én sætning: kildens klyngetærskel bestemmer hvordan der udsendes; banetærsklen hvor langt det når; modtagerens lukketærskel hvordan det optages. Denne “tærskelkæde” forener bølgeforplantning med partikelvis bogføring.

II. Hvorfor det kan være “spontant” — emission uden indkommende lys

• Exciterede tilstande er svære at fastholde. Den ophøjede konfiguration er mere “arbejdskrævende” spændingsmæssigt; når fasen nærmer sig en “tilladt udslipszone”, søger systemet naturligt nedad.
• Energihavet har altid baggrundsstøj. Det står aldrig stille; bredbåndede mikroforstyrrelser “banker på døren” hele tiden.
• Et træf på tærsklen udløser udsendelse. Når fase og lille skub falder sammen, overskrides tærsklen, og en lyspakke pakkes og slippes fri.
• Stimuleret emission sænker blot tærsklen. En ydre bølge i fase sænker emissionstærsklen og faselåser flere udsendelser (laser).

Derfor opstår spontan emission af samspillet mellem excitation + baggrundsstøj + emissionstærskel, ikke som “magi ud af ingenting”.

III. De vigtigste “måder lys opstår på” (grupperet efter fysisk årsag)
Hver klasse følger de samme tre trin — lagre – klynge – udsende — men adskiller sig i hvor lageret kommer fra, hvordan tærsklen overskrides, og hvilken kanal der benyttes:

1. Linjær emission (niveau­fald i atomer/molekyler):
   • Lager: elektronkonfigurationer hæves (excitation eller genfangst efter ionisering).
   • Klyngedannelse: fasen går ind i udslipszonen; baggrundsstøj skubber over tærsklen; et kohærent omslag skyder ud; frekvensen låses af “den indre rytme”.
   • Udsendelse: næsten isotrop; linjebredde bestemmes af levetid (kortere → bredere) og miljøets ujævnhed (kollisioner, feltråhed).
   • Forsinket lys (fluorescens/fosforescens): ved metastabile tilstande “åbner døren” sent; forsinkelse eller kanalkonkurrence kan optræde før udsendelse.
2. Varmestråling (sortlegeme og næsten-sortlegeme):
   • Lager: utallige mikroprocesser i overfladelag udveksler konstant energi.
   • Klyngedannelse: utallige småpakker reproces­seres gentagne gange ved grove grænser og “sotes” sorte, så diskrete hændelser statistisk middelgøres.
   • Udsendelse: spektrums form bestemmes af temperatur; næsten isotrop; lav kohærens, men emissivitet og polarisering afspejler overfladespænding og ruhed.
3. Stråling fra accelererede ladninger (synkrotron/krumnings­stråling og bremsestråling):
   • Synkrotron/krumning: ladningsstråler “tvinges til at dreje” af magnetfelt eller krum bane; spændingslandskabet omskrives kontinuerligt og “hælder” pakker ud — stærkt rettet, stærkt polariseret, bredbåndet.
   • Bremsestråling: brat nedbremsning i et stærkt Coulomb-felt ændrer landskabet skarpt; en bredbåndet pakke opstår, især i tætte materialer med højt atomnummer.
4. Rekombination/genfangst (fri elektron falder i ionens “lomme”):
   • Lager: ionen fanger elektronen og flytter systemet fra “kostbar” til “mere økonomisk”.
   • Klyngedannelse: energiforskellen passerer tærsklen → en pakke udsendes.
   • Udsendelse: tydelige linjeserier — tågers/plasmas klassiske “neonskilt”.
5. Annihilationsstråling (modsatrettede par “løses op”):
   • Lager: stabile par med modsat orientering mødes og afknytter filamenter.
   • Klyngedannelse → udsendelse: næsten hele lageret bliver til to eller flere modgående pakker (smalbåndede, parvist rettede), f.eks. fotonparret omkring ~0,511 MeV.
6. Cerenkov-stråling (fasthastighedens kegle):
   • Lager: en ladning bevæger sig i et medium hurtigere end mediets fasthastighed.
   • Klyngedannelse → udsendelse: langs keglefladen “rives” fasen kontinuerligt, og der dannes en blålig glød; keglevinklen bestemmes af mediets fasthastighed.
   • Kanal: specialtilfælde, hvor banetærsklen holdes i supra-fasthastighedsregime.
7. Ikke-linearitet og frekvensblanding (frekvenskonvertering, sum/differens, Raman):
   • Lager: et ydre optisk felt leverer energi; mediets ikke-linearitet fordeler den på ny.
   • Klyngedannelse → udsendelse: når fasematch og passende kanal er opfyldt, dannes en pakke ved ny frekvens (stimuleret eller spontan); retning og kohærens styres af geometri og materialespænding.

IV. Tre “ydre kendetegn” fra grundlaget: linjebredde, retningsvirkning, kohærens

• Linjebredde: kortere levetid → mindre tid til at “sigte frekvensen ind” → bredere linje; jo mere “uro” i miljøet (kollisioner, ujævne felter), desto stærkere dekoherens → linjen bliver bredere.
• Retning/Polarisering: bestemmes af geometri nær kilden og spændingsgradienter. Frie atomers spontane emission er næsten isotrop; nær magnetfelter/kolimeringskanaler/grænseflader bliver strålingen stærkt rettet og stærkt polariseret.
• Kohærens: en enkelt udsendelse er i sig selv kohærent; gentagen reproces­sering fører mod termisk lys med lav kohærens; ved stimuleret, faselåst emission kan kohærensen blive meget høj (laser).

V. Ikke enhver forstyrrelse bliver til “langtrækkende lys”: forplantningstærskler filtrerer

• Utilstrækkelig kohærens: omslaget bryder sammen ved kilden, og der dannes ingen “klyngebølge”.
• Forkert vindue: båndet falder i et stærkt absorptionsområde og opsluges nær kilden.
• Kanal-mismatch: ingen lavimpedans-korridor eller forkert orientering, så energien dissiperes hurtigt.

Lys, der når langt, opfylder altid tre vilkår: et tilstrækkeligt intakt omslag, det rette transparensvindue og en matchet kanal. De fleste andre forstyrrelser “bobler” kun i nærfeltet.

VI. Spejling mod eksisterende teorier

• Einsteins koefficienter for spontan/stimuleret emission. Teorien om energifilamenter gør den “spontane sandsynlighed” konkret som baggrundsbank + emissionstærskel, og den “stimulerede” som faselåsning + sænket tærskel.
• Kvanteelektrodynamik (QED). Kvanteelektrodynamik behandler lys som feltkvanta og beregner vekselvirkninger præcist. Teorien om energifilamenter giver en materiel-geometrisk forklaring via kæden klyngetærskler → banetærskler → lukketærskler: hvorfor emission er diskret, hvorfor forplantning lykkes, og hvorfor detektion sker pakkevis.
• Klassisk elektrodynamik (“accelereret ladning stråler”). I teoriens sprog: et spændingslandskab, der hele tiden omskrives, klynger og udsender stråling kontinuerligt.

VII. Sammenfattende

• Spontan emission opstår, når en exciteret tilstand, let skubbet af energihavets baggrundsstøj, passerer emissionstærsklen og binder lageret til en pakke.
• Hvorfor lys kommer “pakkevis”: dobbelt diskrethed fra kildens klyngetærskel og modtagerens lukketærskel.
• Hvor lyset kommer fra: linjær emission, varmestråling, synkrotron/krumnings- og bremsestråling, rekombination, annihilation, Cerenkov samt ikke-lineær konvertering — forskellige “serveringsstile” af den samme tretinsmekanisme.
• Linjebredde – retning – kohærens bestemmes i fællesskab af levetid/miljø og geometri/spænding.
• Ikke alle forstyrrelser bliver til lys over lange afstande: intakt omslag, rigtigt vindue og matchet kanal er alle nødvendige.

Afsluttende sætning: Lys er en klynget bølge i energihavet; diskrethed opstår af tærskler; kilden sætter farven, banen former figuren, og modtageren afgør optaget.