6.2 Spontane Emission und woher das Licht kommt

Startseite ／ Kapitel 6: Quantenbereich

Vereintes Prinzip: Energie speichern → Paket bilden → aussenden
Jede Lichtemission lässt sich auf drei Schritte verdichten:

• Energie bevorraten. Atome, Moleküle, Festkörper und Plasmen speichern Energie in mehr oder weniger straffen Spannungs­konfigurationen. Erhitzung, elektrische Beschleunigung, fokussierte Stöße oder chemische Reaktionen heben die Konfiguration an und erzeugen einen Spannungs­vorrat (angeregte, beschleunigte, ionisierte Zustände).
• Paketbildung (Freigabeschwelle überschreiten). Wenn die interne Phase einen günstigen Bereich erreicht und Mikrowellen des Energie-Meeres (Energy Sea) leicht anstoßen, überschreitet das System eine Freigabe­schwelle und packt eine kohärente Spannungs­hülle – ein Lichtpaket, das sich als Welle ausbreitet. Wichtig: Paketbildung ist schwellenbehaftet. Unterhalb tritt nichts aus; an der Schwelle entsteht ein ganzes Paket – Quelle der Diskretheit auf der Quellseite.
• Emission und Ausbreitung (Pfadschwelle meistern). Reichweite bestimmt die Pfadschwelle: Kohärenzqualität, Frequenz im transparenten Fenster sowie passende Orientierung/Kanal. Erfüllt → Fernwirkung; sonst Absorption, Thermalisation oder Streuung nahe der Quelle. Trifft das Paket einen Empfänger (Elektron, Molekül, Pixel), gilt zusätzlich eine Schließschwelle: erst nach deren Überschreiten zählt Absorption bzw. Sekundäremission. Die Tür ist unteilbar, daher erfolgt auch die Detektion paketweise (Diskretheit auf der Empfängerseite).

Kurzfassung: Bildungsschwelle bestimmt das „Wie“ der Emission; Pfadschwelle das „Wie weit“; Schließschwelle das „Wie empfangen“. Diese Schwellenkette verbindet Wellen­ausbreitung mit „portionsweiser“ Buchführung.

Warum „spontan“ emittiert werden kann

• Angeregte Zustände sind kostspielig: die angehobene Konfiguration ist spannungs­mäßig straffer und relaxiert, wenn die Phase in einen freigabefähigen Bereich rückt.
• Das Meer rauscht immer: breitbandige Mikro­störungen klopfen ständig an.
• Treffer am Tor → Freigabe: Phase stimmt + leichter Anstoß → Schwelle überschritten → Paket wird ausgestoßen.
• Stimulierte Emission senkt nur die Schwelle: eine phasengleiche externe Welle verriegelt die Phase und senkt die Tür; viele Freigaben laufen im Gleichschritt (Laser).
  Spontane Emission = angeregter Zustand + Rauschen + Freigabe­schwelle im Zusammenspiel – keine Zauberei.

Die wesentlichen „Lichtquellen“ (nach physikalischer Ursache)
Alle folgen speichern → bilden → aussenden; variabel sind Vorratsbildung, Schwellenübertritt und Kanal.

1. Linienemission (atomare/molekulare Übergänge)
   • Vorrat: elektronische Konfigurationen angehoben (Anregung, Rekombination nach Ionisation).
   • Bildung: Phase in Freigabebereich; Rauschen stößt an; kohärentes Paket, Frequenz an interne Taktung gebunden.
   • Aussendung: nahezu isotrop; Linienbreite durch Lebensdauer (kürzer → breiter) und Umgebungs­dephasierung (Kollisionen, Feldrauhigkeit) bestimmt.
   • Verzögertes Licht (Fluoreszenz/Phosphoreszenz): metastabile Fallen halten die Tür länger zu; Verzögerungen und Kanal­konkurrenz entstehen.
2. Thermische Strahlung (Schwarz-/Quasi­schwarzkörper)
   • Vorrat: Myriaden Mikroprozesse tauschen Energie nahe der Oberfläche.
   • Bildung: zahllose Kleinpakete werden an rauen Grenzen reprozessiert und statistisch geschwärzt.
   • Aussendung: Spektrum durch Temperatur festgelegt; Richtungen nahezu isotrop; geringe Kohärenz; Emissivität und Polarisation hängen dennoch von Oberflächen­spannung/­rauhigkeit ab.
3. Beschleunigte Ladungen (Synchrotron/Krümmung, Bremsstrahlung)
   • Synchrotron/Krümmung: gebogene Bahnen formen und werfen Pakete kontinuierlich ab – stark gerichtet, stark polarisiert, breitbandig.
   • Bremsstrahlung: abrupte Verzögerung im Coulombfeld überschreibt lokale Spannung und stößt ein breitbandiges Paket aus; stark in dichten/hoch-Z-Medien.
4. Rekombinationsstrahlung (Einfang freier Elektronen)
   • Vorrat: ein ionischer „Tasche“ fängt ein Elektron, relaxiert von straffer zu „leichter“.
   • Bildung/Ausstoß: Energiedifferenz überschreitet die Schwelle → Paket.
   • Signatur: klare Liniensysteme – das „Neon“ von Nebeln und Plasmen.
5. Annihilation (Entwirren gegenläufiger Wicklungen)
   • Vorrat: stabile, gegenläufige Wicklungen treffen und lösen sich.
   • Bildung/Ausstoß: Vorrat geht in zwei gegenläufige Pakete über (schmalbandig, paarweise gerichtet), z. B. die berühmten 0,511 MeV.
6. Tscherenkow (Phasengeschwindigkeits-Kegel)
   • Vorrat: eine Ladung überholt die Phasengeschwindigkeit des Mediums.
   • Bildung/Ausstoß: die Phase reißt längs eines Kegels; bläuliches Leuchten wird gepackt; Winkel durch Phasengeschwindigkeit gesetzt.
   • Kanal: Sonderfall dauerhaft überschrittener Pfadschwelle.
7. Nichtlinearität und Mischprozesse (Konversion, Summen/Differenzen, Raman)
   • Vorrat: externe optische Felder liefern Energie; Nichtlinearität verteilt sie um.
   • Bildung/Ausstoß: mit Phasenanpassung und Kanal­ausrichtung entsteht ein Paket neuer Frequenz (stimuliert oder spontan); Richtung und Kohärenz hängen stark von Geometrie und Material­spannung ab.

Wie drei „Erscheinungen“ entstehen: Linienbreite, Richtwirkung, Kohärenz

• Linienbreite: kürzere Lebensdauern lassen weniger Zeit zum „Schärfen“ → breitere Linien; lautere Umgebungen (Kollisionen, raue Felder) dephasieren schneller.
• Richtwirkung/Polarisation: ergeben sich aus Nahfeld-Geometrie und Spannungs­gradienten. Freie Atome strahlen fast isotrop; bei Magnetfeldern, Kollimatoren oder Grenzflächen wird die Emission stark gerichtet und polarisiert.
• Kohärenz: ein einzelner Ausstoß ist kohärent; vielfaches Reprocessing führt zu geringer Kohärenz (thermisches Licht); phasen­verriegelte Stimulierung kann die Kohärenz bis zum Maximum treiben (Laser).

Nicht jede Störung wird ferntragendes Licht: die Pfadschwelle filtert

• Zu wenig Kohärenz: die Hülle bricht bei der Geburt, Pakettransport scheitert.
• Fenster verfehlt: Frequenz liegt in stark absorbierenden Bändern und stirbt quellnah.
• Kanal-Mismatch: ohne Niedrig-Impedanz-Korridor oder mit falscher Ausrichtung dissipiert Energie schnell.
  Für weite Wege sind saubere Hülle + Fenster-Frequenz + Kanalmatch gemeinsam erforderlich.

Abgleich mit etablierten Rahmen

• Einsteins A/B-Koeffizienten: in der EFT wird Spontaneität zu „Rauschklopfen + Freigabe­schwelle“, Stimulierung zu „Phasenverriegelung + abgesenkter Schwelle“.
• Quanten­elektrodynamik: rechnet Feldquanten präzise; die EFT ergänzt die materielle Karte Bildung → Pfad → Schließung und erklärt warum diskret, warum propagierbar, warum detektierbar.
• Klassische Elektrodynamik („beschleunigte Ladung strahlt“): im EFT-Bild wird die Spannungslandschaft fortlaufend umgeschrieben → kontinuierliche Paketbildung und -abgabe.

Zusammenfassend

• Spontane Emission = ein angeregter Zustand, vom Hintergrundrauschen angestoßen, überschreitet die Schwelle und wirft ein Paket aus.
• Licht kommt paketweise wegen Bildungs- (Quelle) und Schließschwellen (Empfänger).
• Woher das Licht kommt: Linien, thermisch, Synchrotron/Krümmung, Bremsstrahlung, Rekombination, Annihilation, Tscherenkow, nichtlineare Konversion — dieselbe Drei-Schritte-Rezeptur, verschieden serviert.
• Breite–Richtung–Kohärenz entstehen aus Lebensdauern, Umgebung, Geometrie und Spannung.
• Nicht jede Störung erzeugt Fernlicht: sauberes Paket + passendes Fenster + Kanalabgleich sind unverzichtbar.

In einem Satz: Licht ist eine verpackte Welle im Meer; Diskretheit kommt von Schwellen — die Quelle färbt, der Weg formt, die Tür verbucht.