Спонтанное испускание или спонтанное излучение (СИ), самопроизвольное испускание электромагнитного излучения атомами и другими квантовыми системами, находящимися на возбуждённых уровнях энергии. В отличие от вынужденного излучения, СИ не зависит от воздействия на квантовую систему внешнего электромагнитного излучения, и его закономерности определяются исключительно свойствами самой системы, подобно другим типам спонтанных (самопроизвольных) превращений (например, радиоактивному распаду, превращению молекул при мономолекулярных реакциях). СИ возникает при спонтанном квантовом переходе возбуждённой системы с более высокого уровня энергии E_i, на более низкий E_k и характеризуется частотой v_ik испускаемого фотона с энергией hv_ik = E_i - E_k (где h –постоянная Планка) и вероятностью A_ik, равной среднему числу таких фотонов, испускаемых квантовой системой в единицу времени. Если число атомов или молекул на возбуждённом уровне энергии E_i (населенность уровня) равно N_i, то мощность СИ, энергия фотонов, испускаемых в 1 с, равна N_i A_ik h_ik; она определяет интенсивность СИ, которая остаётся постоянной при постоянстве N_i. Если задано начальное число возбуждённых систем N_i0, а дальнейшее возбуждение отсутствует, то вследствие СИ будет происходить убывание N_i со временем t по закону

N_i = N_i0 ехр (- A_it),

где A_i – полная вероятность СИ при переходах системы с уровня энергии E_i на все более низкие уровни энергии E_k (A_i = SA_ik). Чем больше A_i, тем быстрее СИ затухает со временем и тем меньше время жизни t = 1/A_i, на уровне E_i.

Рассмотрим атом, находящийся в свободном пространстве и не подверженный влияниям извне. Атом может находиться в различных квантовых состояниях, которым соответствует дискретный ряд уровней энергии. Для простоты мы смотрим только два из этих состояний с энергиями E₁ и E₂. Эти состояния мы будем коротко называть состояние 1 и состояние 2.

Если атом в некоторый момент t находится в возбужденном состоянии 2, то в следующий за этим интервал времени dt может либо остаться в том же состоянии, либо перейти в нижнее состояние 1 отдавая избыток энергии Е₂ – Е₁ в виде излучения.
Переходы с испусканием могут происходить либо независимо от действия внешнего поля, в котором находится возбужденный атом, либо под действием этого поля. В первом случае переходы называется спонтанными, т. е. «самопроизвольными», во втором – вынужденным.
Рассмотрим спонтанные переходы и будем рассматривать их статистически. Это означает, что мы не можем достоверно предсказать, произойдет или не произойдет в данном атоме переход в течение 1 сек., следующей за моментом t, но можем только указать его вероятность. Назовем эту вероятность спонтанного перехода 2-1 в единицу времени А₂₁. Поскольку спонтанный переход есть процесс случайный, предполагается, что А₂₁ не зависит от времени.
Пусть теперь мы имеем совокупность большого числа атомов, которые, однако, образуют настолько сильно разреженный газ, что взаимодействием между атомами можно пренебречь. Пусть N₂ из числа этих атомов в момент t находятся в состоянии 2. В промежуток времени между t и t + dt часть из них спонтанно перейдет в состояние 1. Поскольку такие переходы – явление случайное, то мы не можем указать, какие именно атомы совершат переход, но, зная вероятность А₂₁, можем предсказать, сколько атомов в среднем совершит переход. Именно, число переходов dZ₂₁ за промежуток времени dt будет, очевидно пропорционально числу атомов N₂, находящихся в состоянии ₂.

dZ_2X = A_2lN2 dt (1)

Так как при каждом из этих переходов согласно условию частот Бора излучается энергия Е₂ – Е₁= hv, то за тот же промежуток времени будет испущена энергия, равная

hv dZ₂₁ = А₂₁N₂ hv dt (2)

Теперь мы можем найти закон убывания числа возбужденных атомов со временем и среднее «время жизни» атома в возбужденном состоянии.
Очевидно, что число переходов dZ₂₁ за промежуток времени dt равно уменьшению числа атомов, находившихся к моменту t в возбужденном состоянии, dZ₂₁= –dN₂. Поэтому формула (1) дает

–dN₂ = A₂₁N₂ dt. (3)

Интегрируя, находим

N₂=N₂₀ (4)

где N₂₀ – число атомов, находившихся в состоянии 2 момент t=0.
Принимая во внимание формулу (2), мы найдем энергию испускаемую в единицу времени, т. е. интенсивность свечения

J = A₂₁N₂₀ hv = J₀ (5)

где J₀ = A₂₁N₂₀ hv. Таким образом, свечение возбужденного газа должно убывать со временем по экспоненциальному закону.
Среднюю продолжительность жизни в возбужденном состоянии мы теперь вычислим следующим образом. Число атомов совершающих переход Е₂ – Е₁, в промежуток времени t и t - dt равно A₂₁N₂ dt. Это вместе с тем есть число атомов «проживших» в возбужденном состоянии t сек. Сумма их продолжительностей жизни равна поэтому tA₂₁N₂ dt, а сумма продолжительностей жизни всех атомов, испытавших переход за время от 0 до бесконечности будет . Отсюда средняя продолжительность жизни τ будет:

τ=

принимая во внимание (4),

τ=A₂₁* (6)

Одним из значительных достижений физики второй половины двадцатого века было открытие физических явлений, послуживших основой для создания оптического квантового генератора, или лазера. Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Наиболее часто используемым вариантом получения лазерного луча, является использование системы обратной связи. Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины фотонов, выходящие за пределы среды. В то же время фотоны, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создадут лавины, многократно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения от зеркал. Если одно из зеркал будет обладать небольшим пропусканием, то через него будет выходить направленный поток фотонов перпендикулярно плоскости зеркал. При правильно подобранном пропускании зеркал, точной их настройке относительно друг друга и относительно продольной оси среды с инверсной населенностью обратная связь может оказаться настолько эффективной, что излучением «вбок» можно будет полностью пренебречь по сравнению с излучением, выходящим через зеркала. На практике это, действительно, удается сделать. Такую схему обратной связи называют оптическим резонатором, и именно этот тип резонатора используют в большинстве существующих лазеров.

Источники спонтанного излучения (ИСИ) – устройства, преобразующие какой-либо вид энергии (электрической, тепловой, химической) в энергию электромагнитных волн в оптическом диапазоне длин волн, нашли широкое применение в быту, производстве, науке, технике и технологии. Примерно 13-14 % всей электроэнергии в мире расходуется при эксплуатации источников оптического излучения.

По своей физической природе все существующие ИСИ можно разделить на тепловые и люминесцентные. Промышленные тепловые источники, в которых используется излучение нагретых тел (главным образом к ним относятся лампы накаливания), наиболее просты в изготовлении и эксплуатации, однако имеют низкие ресурс, светоотдачу (не более 10–20 лм/Вт) и цветность, сильно отличающуюся от цветности дневного света.

Люминесцентные ИСИ, в основе действия, которых лежат различные способы превращения отдельных видов энергии непосредственно в оптическое излучение, характеризуются существенно более высокими величинами светоотдачи (до 100 лм/Вт и более) и ресурса (до 10–15 тысяч часов). Одним из важных преимуществ данных ИСИ, среди которых наибольшее распространение получили электролюминесцентные, является разнообразие спектров излучения, что обеспечивает возможность использования их в различных технологиях. К основным недостаткам данных ИСИ можно отнести, прежде всего, большую стоимость, сложность и высокую технологию при изготовлении, необходимость обеспечения условий запуска и функционирования. Электролюминесцентные источники называются в инженерных справочниках газоразрядными лампами: согласно ГОСТ 15049- 81, СТ СЭВ 2737-80 разрядным источником света или разрядной лампой называют электрическую лампу, в которой свет создается в электрическом разряде в газе и/или парах металла. Электрический разряд обеспечивает различные изменения энергетических состояний валентных электронов атомных и молекулярных оболочек газов, заполняющих колбу лампы, что, в свою очередь, определяет спектральный состав получаемого оптического излучения.

Экспериментальная проверка закона затухания свечения и определения средней продолжительности жизни в возбужденном состоянии наиболее непосредственно были произведены Вином в опытах со свечением каналовых лучей. Пучок водородных каналовых лучей через щель шириною в 0,1-0,25 мм выпускался в пространство, где поддерживался столь высокий вакуум, что возбужденные атомы могли «высвечиваться» практически без соударений. При этом получался светящийся и затухающий вдоль своей длины пучок каналовых лучей, который помещался на месте щели кварцевого спектрографа. Кварцевая призма разлагала пучок в спектр, так что затухание свечения можно проследить для каждой спектральной линии отдельно. Если v есть скорость каналовых лучей и у – расстояние какой-либо точки от начала пучка, то i = y/v и e ^{- tlx} = e^-y/vt. Таким образом время t можно было определить, прослеживая убывания интенсивности вдоль пучка каналовых лучей.

Примером впечатляющего прорыва в создании и применении люминесцентных источников излучения является появление эксиламп. Это источники спонтанного излучения ультрафиолетового (УФ) и вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) диапазонов спектра.

Отличительными чертами таких источников являются, во-первых, эффективное преобразование электрической энергии в световую за счет образования эксимерных и эксиплексных молекул в условиях газоразрядной плазмы и последующего высвечивания ими квантов света.

Во-вторых, спектр излучения состоит преимущественно из относительно узкой полосы соответствующей молекулы. Это позволяет селективно воздействовать на объекты облучения теми длинами волн излучения, которые приводят к наибольшему полезному эффекту, т.е. увеличить КПД технологического процесса, в котором используется эксилампа.

В-третьих, рабочие смеси, состоящие из инертных газов или их смесей с галогенами, экологически безопасны по сравнению с рабочей смесью ртутных ламп, излучающих в том же спектральном диапазоне. Эти уникальные свойства позволили с успехом применить их, например, для фотохимических приложений, в аналитической химии, фотобиологии, микроэлектронике и научных исследованиях.