6.2 Spontaani emissio ja valon alkuperä

Etusivu ／ Luku 6: Kvanttialue

I. Yksi mekanismi kolmessa vaiheessa: Energian varastointi → Kynnyksen ylittävä ryhmittyminen → Säteilytys
Jokainen “valon antaminen” tiivistyy kolmeen vaiheeseen:

• Varastointi (energiavaranto).
  Energiasäieteoria (EFT) kuvaa atomit, molekyylit, kiinteät aineet ja plasman tiukempina tai löyhempinä jännityskonfiguraatioina säikeiden ja energiameren kokonaisuudessa. Kuumennus, sähkökentän tekemä kiihdytys, sädekimppujen törmäykset tai kemialliset reaktiot “nostavat” järjestelmää ja tallettavat energian jännitysvarantona (viritystila, kiihdytystila, ionisoitunut tila jne.).
• Ryhmittyminen (”emissiokynnyksen” ylitys).
  Kun sisäinen vaihe etenee otolliselle alueelle, energiameren laajakaistainen taustahäiriö antaa pienen tönäisyn. Paikallinen järjestelmä ylittää kynnyksen ja pakkaa varannon koherentiksi jänniteaallon vaipaksi — syntyy yksi valopaketti (joka etenee “aaltomaisesti”).
  Ydinajatus: ryhmittyminen on kynnysilmiö. Kynnyksen alapuolella mikään ei “vuoda puolittain”; kynnyksellä syntyy kokonainen paketti. Tämä lähdepuolen diskreettiys on yksi syy siihen, että valo tulee annoksina.
• Säteilytys ja leviäminen (”reittikynnyksen” täyttyminen).
  Se, kuinka kauas paketti kantaa, riippuu etenemiskynnyksistä: säilyykö vaipan koherenssi, osuuko taajuus läpinäkyvyysikkunaan ja sopiiko suunta/kanava väliaineeseen. Jos ehdot täyttyvät, etenemä on pitkä; muussa tapauksessa paketti absorboituu, termalisoituu tai siroaa lähteellä.
  Kun paketti kohtaa vastaanottajan (elektronin, molekyylin, detektoripikselin), sen on ylitettävä myös sulkeutumiskynnys, jotta tapahtuma lasketaan absorptioksi tai uudelleenemissioksi — kynnys on jakamaton, joten vastaanottokin näyttäytyy “paketti kerrallaan”.

Yhdessä lauseessa: lähteen ryhmittymiskynnys määrää miten säteilytetään, reittikynnys miten pitkälle päästään ja vastaanottajan sulkeutumiskynnys miten otetaan vastaan. Tämä “kynnysketju” yhdistää aaltomaisen etenemisen ja hiukkasmaisen kirjanpidon.

II. Miksi emissio voi olla “spontaania” — säteilyä ilman tulevaa valoa

• Viritystilaa on vaikea ylläpitää. Jännityksen kannalta korotettu konfiguraatio on “raskas”; kun vaihe lähestyy “sallittua päästöaluetta”, järjestelmä hakeutuu luonnostaan alamäkeen.
• Energiameressä on aina taustahälyä. Se ei ole koskaan täysin hiljainen; laajakaistaiset mikromodulaatiot “koputtavat oveen” jatkuvasti.
• Koputus kynnykseen käynnistää päästön. Kun vaihe osuu kohdalleen ja saa pienen sysäyksen, kynnys ylittyy ja valopaketti pakataan sekä päästetään.
• Stimuloitu emissio vain laskee kynnystä. Ulkoinen samassa vaiheessa oleva aalto madaltaa emissiokynnystä ja vaihelukitsee useita päästöjä (laser).

Siksi spontaani emissio syntyy viritystilan, taustahälyn ja emissiokynnyksen yhteispelistä — ei “tyhjästä taikomalla”.

III. Valon tärkeimmät “syntyreitit” (fysikaalisen syyn mukaan)
Kaikki luokat noudattavat samaa kolmiportaista kulkua — varastoi – ryhmitä – päästä — mutta eroavat siinä, mistä varanto tulee, miten kynnys ylitetään ja mitä kanavaa pitkin edetään:

1. Viivasäteily (tasonalennus atomeissa/molekyyleissä):
   • Varanto: elektronikonfiguraatio nostetaan (viritys tai talteenotto ionisaation jälkeen).
   • Ryhmittyminen: vaihe siirtyy päästöalueelle; taustahäly työntää kynnyksen yli; koherentti vaippa syöksyy ulos; taajuus lukittuu “sisäiseen rytmiin”.
   • Säteilytys: lähes isotrooppinen; viivanleveys määräytyy elinikään (lyhyempi → leveämpi) ja ympäristön rosoisuuteen (törmäykset, kentän epätasaisuus).
   • Viivevalo (fluoresenssi/fosforenssi): jos jäädään metastabiiliin tilaan, “ovi” aukeaa myöhään; esiintyy viive tai kanavien kilpailua ennen päästöä.
2. Lämpösäteily (musta kappale ja lähes musta):
   • Varanto: lukemattomat mikroskaalan prosessit pintakerroksissa vaihtavat energiaa jatkuvasti.
   • Ryhmittyminen: lukuisia pikku­paketteja prosessoidaan karkeilla rajoilla yhä uudelleen ja “nokeentuvat”, jolloin diskreetit tapahtumat tilastollisesti keskiintyvät.
   • Säteilytys: spektrin muodon määrää lämpötila; lähes isotrooppinen; koherenssi on pieni, mutta emissiivisyys ja polarisaatio heijastavat pinnan jännitystä ja karheutta.
3. Säteily kiihtyvistä varauksista (synkrotroni-/kaarevuussäteily ja jarrutussäteily):
   • Synkrotroni/kaarevuus: varauskimput “pakotetaan kääntymään” magneettikentässä tai kaarevalla radalla; jännitemaisema kirjoitetaan jatkuvasti uusiksi ja paketteja roiskuu — voimakkaasti suunnattuna, voimakkaasti polarisoituna, laajakaistaisena.
   • Jarrutussäteily (bremsstrahlung): äkillinen hidastus vahvassa Coulombin kentässä muuttaa maisemaa jyrkästi; syntyy laajakaistainen paketti, erityisesti tiheissä ja suuren järjestysluvun materiaaleissa.
4. Rekombinaatio/takaisin­kaappaus (vapaa elektroni putoaa ionin “taskuun”):
   • Varanto: ioni kaappaa elektronin ja siirtää järjestelmän “kalliista” “säästäväisempään”.
   • Ryhmittyminen: energiaväliero ylittää kynnyksen → yksi paketti päästyy.
   • Säteilytys: selkeät viivasarjat — sumujen/plasman klassinen “neon-allekirjoitus”.
5. Annihilaati­säteily (vastakkaiset parit “selviävät” irti):
   • Varanto: stabiilit vastakkaissuuntaiset parit kohtaavat ja purkavat säikeet.
   • Ryhmittyminen → säteilytys: lähes koko varanto muuttuu kahdeksi tai useammaksi vastakkaissuuntaiseksi paketiksi (kapeakaistaisiksi, pareittain suunnatuiksi), esim. ~0,511 MeV fotonipari.
6. Tšerenkovin säteily (vaihenopeuden kartio):
   • Varanto: varaus liikkuu väliaineessa nopeammin kuin väliaineen vaihenopeus.
   • Ryhmittyminen → säteilytys: kartiopintaa pitkin vaihe “repeää” jatkuvasti ja muodostuu sinertävä hohde; kartion kulma määräytyy väliaineen vaihenopeudesta.
   • Kanava: erityistapaus, jossa reittikynnys pysyy jatkuvasti supra-vaihenopeusalueella.
7. Epälineaarisuus ja sekoittuminen (taajuusmuunnos, summa-/erotaajuus, Raman):
   • Varanto: ulkoinen optinen kenttä toimittaa energiaa; väliaineen epälineaarisuus jakaa sen uudelleen.
   • Ryhmittyminen → säteilytys: kun vaihesovitus ja sopiva kanava täyttyvät, syntyy paketti uudelle taajuudelle (stimuloitu tai spontaani); suuntaavuus ja koherenssi riippuvat geometriasta ja materiaalin jännityksestä.

IV. Kolme “näköä” perustasosta: viivanleveys, suuntaavuus, koherenssi

• Viivanleveys: lyhyempi elinikä → vähemmän aikaa “tähdätä taajuuteen” → leveämpi viiva; mitä “äänekkäämpi” ympäristö (törmäykset, rosoiset kentät), sitä vahvempi dekoherenssi → viiva levenee.
• Suuntaavuus/Polarisaatio: määräävät lähteen lähi­geometria ja jännitegradientit. Vapaiden atomien spontaani emissio on lähes isotrooppista; magneettikenttien, kolimointikanavien tai rajapintojen lähistöllä säteily on voimakkaasti suunnattu ja voimakkaasti polarisoitu.
• Koherenssi: yksittäinen päästö on luontaisesti koherentti; moninkertainen jatkokäsittely vie kohti lämpövaloa ja heikkoa koherenssia; stimuloitu, vaihelukittu emissio voi nostaa koherenssin hyvin korkeaksi (laser).

V. Kaikki häiriöt eivät muutu “kauas kantavaksi valoksi”: etenemiskynnykset suodattavat

• Koherenssi ei riitä: vaippa hajoaa lähteellä eikä “ryhmittynyttä aaltoa” synny.
• Väärä ikkuna: taajuus osuu voimakkaan absorptiokaistan alueelle ja nielaistaan lähteellä.
• Kanava ei sovi: ei ole matalaimpedanssista käytävää tai suuntaus on sopimaton, jolloin energia häviää nopeasti.

Kauas kantava valo täyttää aina kolme ehtoa: riittävän ehjän vaipan, oikean läpinäkyvyysikkunan ja yhteensopivan kanavan. Useimmat muut häiriöt “kuplivat” vain lähikentässä.

VI. Suhde vakiintuneisiin teorioihin

• Einsteinin spontaani- ja stimuloitukertoimet. Energiasäieteoria konkretisoi “spontaanin todennäköisyyden” taustakoputuksena + emissiokynnyksenä ja “stimuloidun” vaihelukituksena + kynnysalennuksena.
• Kvanttielektrodynamiikka (QED). Kvanttielektrodynamiikka kuvaa valon kentän kvantteina ja laskee vuorovaikutukset tarkasti. Energiasäieteoria tarjoaa aine–geometria -selityksen ketjulla ryhmittymiskynnykset → reittikynnykset → sulkeutumiskynnykset: miksi emissio on diskreettiä, miksi eteneminen onnistuu ja miksi detektointi tapahtuu paketeittain.
• Klassinen elektrodynamiikka (“kiihtyvä varaus säteilee”). Energiasäieteorian kielellä jatkuvasti uudelleenkirjoitettu jännitemaisema ryhmittyy ja säteilee jatkuvasti.

VII. Yhteenvetona

• Spontaani emissio tapahtuu, kun viritystila energiameren taustahälyn kevyesti työntämänä ylittää emissiokynnyksen ja sitoo varannon paketiksi.
• Miksi valo tulee “paketeissa”: kaksinkertainen diskreettiys lähteen ryhmittymiskynnyksestä ja vastaanottajan sulkeutumiskynnyksestä.
• Mistä valo tulee: viivasäteily, lämpösäteily, synkrotroni-/kaarevuus- ja jarrutussäteily, rekombinaatio, annihilaatio, Tšerenkovin säteily sekä epälineaarinen muunnos — sama kolmiportainen mekanismi eri “tarjoilutavoilla”.
• Viivanleveys – suunta – koherenssi määräytyvät yhdessä elinikä/ympäristö- ja geometria/jännite-tekijöistä.
• Kaikki häiriöt eivät muodosta kauas kantavaa valoa: tarvitaan ehjä vaippa, oikea ikkuna ja sopiva kanava.

Lopetuslause: Valo on energiameressä ryhmittynyt aalto; diskreettiys syntyy kynnyksistä; lähde valitsee värin, reitti muodon ja vastaanottaja ratkaisee vastaanoton.