Techniklexikon

spontane Emission

Atom- und Molekülphysik, der Übergang eines Atoms oder Moleküls aus einem angeregten Zustand in einen energetisch tiefer liegenden Zustand, in der Regel der Grundzustand, ohne Wechselwirkung mit einem Lichtfeld. Der Prozess ist schematisch in der Abbildung dargestellt. Der Emission muss ein Anregungsprozess vorausgegangen sein (Anregung). Dies kann z.B. durch die Absorption elektromagnetischer Strahlung (Strahlungsanregung) oder durch Stossprozesse (Stossanregung) geschehen.

Die spontane Emission geht mit der Zeitkonstante der natürlichen Lebensdauer vor sich. Die spektrale Verteilung der emittierten Photonen ist eine Lorentz-Verteilung mit der natürlichen Linienbreite als voller Halbwertsbreite.

Der spontanen Emission steht die stimulierte Emission entgegen, bei der der Emissionsprozess durch ein Lichtfeld stimuliert wird. Zur Beschreibung dieser Prozesse führte Einstein die Einstein-Koeffizienten ein. Durch Ableitung einer Ratengleichung für spontane und stimulierte Emission und Absorption gelang es ihm, die Plancksche Strahlungsformel herzuleiten. In der modernen Quantenelektrodynamik wird die spontane Emission als Spezialfall der stimulierten behandelt. In diesem Modell wird eine spontane Emission durch Vakuumfluktuationen stimuliert.

Von besonderer Bedeutung ist die spontane Emission für den Laser. Hier überwiegen zwar stimulierte Emissionsprozesse, aber die spontanen Emissionen begrenzen die Linienbreite, da sie die Kohärenz des Lichtfeldes stören. Die Rate der spontanen Emission in einem Laser bestimmt die untere Grenze der Linienbreite (Schwellenbedingung).

spontane Emission: Prozess der spontanen Emission aus einem angeregten Zustand eines Atoms. E₁, E₂ sind die Energien, N₁, N₂ die Besetzungen der Zustände; B₁₂, A₂₁, B₂₁ sind die Einstein-Koeffizienten der Absorption, der spontanen Emission und der stimulierten Emission.