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2024-03-16T08:57:37Z

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Die '''spontane Emission''', in älterer Literatur auch '''quantenhafte Emission''' genannt, ist eine [[Quantenmechanik|quantenmechanische]] Erscheinung. Sie bezeichnet die Aussendung von [[Photon]]en beim Übergang zwischen [[Zustand (Quantenmechanik)|Zuständen]] von [[Atom]]en oder [[Molekül]]en mit unterschiedlicher [[Energieniveau|Energie]]. Anders als die [[stimulierte Emission]] findet die spontane Emission ''ohne'' äußere Einwirkung statt, sie gehört also zu den [[Zerfallskanal|Zerfallsprozessen]] und den [[Zufallsprozess]]en.

Die Grundidee wurde 1916/17 von [[Albert Einstein]] publiziert.<ref>{{Literatur|Autor=Albert Einstein|Titel=Zur Quantentheorie der Strahlung|Sammelwerk=Physikalische Gesellschaft Zürich. Mitteilungen|Band=16|Jahr=1916|Seiten=47–62}}</ref><ref>{{Literatur|Autor=Albert Einstein|Titel=Zur Quantentheorie der Strahlung|Sammelwerk=Physikalische Zeitschrift|Band=18|Jahr=1917|Seiten=121–128}}</ref>

== Beschreibung ==
Der genaue Zeitpunkt, zu dem ein energetisch angeregtes System ein Photon emittiert, ist nicht vorhersagbar. Stattdessen erlaubt die [[Quantenphysik]] lediglich die Angabe einer [[Wahrscheinlichkeit]] dafür, dass innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine Emission stattfindet. Sie lässt sich beispielsweise über die [[Halbwertszeit]] charakterisieren, nach der in einem [[Ensemble (Physik)|Ensemble]] angeregter Atome oder Moleküle gerade die Hälfte der Teilchen je ein Photon emittiert hat, oder über die [[Lebensdauer (Physik)|Lebensdauer]] des angeregten Zustandes.

Im Rahmen der Quantenmechanik, die unter anderem die Struktur von Atomen und Molekülen beschreibt, lassen sich die [[Absorption (Physik)|Absorption]] eines Photons sowie seine stimulierte Emission gut verstehen; beide werden durch Einstrahlung einer [[elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Welle]] ausgelöst und unterscheiden sich in ihrer mathematischen Beschreibung nur durch ein [[Vorzeichen (Zahl)|Vorzeichen]]. Die spontane Emission ist dagegen zunächst nicht zu verstehen; entgegen der [[Intuition]] ist nämlich nach den Regeln der Quantenmechanik bei Abwesenheit äußerer Störungen auch ein Zustand höherer Energie stabil.

Der Mechanismus der spontanen Emission wurde daher erst im Rahmen der [[Quantenelektrodynamik]] verstanden, die auch die Erzeugung und Vernichtung von Photonen beschreiben kann. Danach ist das [[Vakuum]] von gewissen [[Vakuumfluktuation]]en des [[Elektromagnetisches Feld|elektromagnetischen Felds]] erfüllt. Diese Schwingungen entsprechen dessen energetischem [[Grundzustand]] und lassen sich daher prinzipiell nicht durch Absorption vernichten. Das Phänomen der spontanen Emission lässt sich nun qualitativ und quantitativ letztlich auf eine stimulierte Emission zurückführen, die durch diese Vakuumfluktuationen ausgelöst wird.

== Mathematische Beschreibung ==
Die Anzahl <math>N</math> der spontanen Emissionen bzw. der angeregten [[Teilchen]] pro Volumen <math>V</math> und Zeit <math>t</math> ist [[proportional]] zur [[Teilchenzahldichte]] <math>n</math> im [[Angeregter Zustand|angeregten Zustand]]:<ref>{{Literatur|Autor=D. Meschede|Titel=Gerthsen Physik|Auflage=23|Seiten=577}}</ref>

:<math>\frac{\partial N}{\partial t} \propto n \cdot V</math>

Allerdings werden bei ausreichender Menge an Teilchen emittierte Photonen durch nichtangeregte Teilchen absorbiert, d. h. Emission und Absorption halten sich die Waage. Dies führt dazu, dass die [[Intensität (Physik)|Intensität]] (einschließlich der stimulierten Emission) nach der [[Plancksches Strahlungsgesetz|Planckformel]] nicht überschritten wird und die Gesamtintensität damit unabhängig von der Zahl der Teilchen ist.

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4323946-8}}

[[Kategorie:Atomphysik]]
[[Kategorie:Quantenphysik]]

Spontane Emission - Versionsgeschichte

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