6.2 Spontane emissie en de herkomst van licht

Startpagina ／ Hoofdstuk 6: Kwantumdomein (V5.05)

I. Eén mechanisme in drie stappen: Energie opslaan → Bundeling over een drempel → Uitzenden
Elke gebeurtenis van “licht geven” valt samen te vatten in drie stappen:

• Opslaan (een energiereserve hebben).
  In het beeld van de Energiefilamenttheorie (EFT) – de “filament–energieseebeeldvorming” – komen atomen, moleculen, vaste stoffen en plasma overeen met strakkere of lossere spanningsconfiguraties. Door verhitting, elektrische versnelling, bundelbotsingen of chemische reacties wordt het systeem “opgetild” en slaat het energie op als spanningsreserve (aangeslagen toestand, versnelde toestand, geïoniseerde toestand, enzovoort).
• Bundelen (de “uitzenddrempel” overschrijden).
  Zodra de interne fase in een gunstig bereik komt, geven breedbandige achtergrondschommelingen van de energiese een lichte duw. Het lokale systeem passeert de uitzenddrempel en verpakt de reserve tot een coherente spanningsgolf–enveloppe: één pakket licht (dat zich onderweg gedraagt als “golf”).
  Kernpunt: bundeling is drempelgebonden. Onder de drempel “lekt” er niets half; op de drempel ontstaat één volledig pakket. Deze bronzijde–discretisatie is een van de wortels van het feit dat licht in porties komt.
• Uitzenden en voortplanten (de “pad­drempel” halen).
  Hoe ver het pakket reikt na emissie hangt af van voortplantingsdrempels: blijft de enveloppe coherent, valt de band in een transparantievenster, en past de oriëntatie/het kanaal bij het medium? Zo ja, dan trekt het ver weg; zo nee, dan wordt het nabij de bron geabsorbeerd, gethermaliseerd of verstrooid.
  Komt het pakket aan bij een ontvanger (elektron, molecuul, detectorpixel), dan moet ook de sluitdrempel worden overschreden om te tellen als absorptie of heruitzending. Omdat die drempel onsplitsbaar is, verschijnt de ontvangst eveneens portiegewijs.

In één zin: de bundeldrempel aan de bron bepaalt “hoe het wordt uitgezonden”; de pad­drempel bepaalt “hoe ver het komt”; de sluitdrempel aan de ontvanger bepaalt “hoe het wordt opgenomen”. Deze “drempelketen” smeedt golfvoortplanting en deeltjesgewijze boekhouding aaneen.

II. Waarom het “spontaan” kan zijn — ook zonder invallend licht komt er emissie

• Aangeslagen toestanden zijn lastig te handhaven. In spanningszin is de opgehoogde configuratie “arbeidsintensiever”; wanneer de fase een “uitzendbare zone” nadert, zoekt het systeem vanzelf de weg omlaag.
• De energiese bruist van achtergrondruis. Zij staat nooit stil; breedbandige micro­perturbaties “kloppen” voortdurend op de deur.
• Een klop op de drempel triggert emissie. Vallen fase en duwtje samen, dan wordt de uitzenddrempel overschreden en wordt een lichtpakket gebundeld en uitgestoten.
• Gestimuleerde emissie verlaagt enkel de drempel. Een fase–gelijk externe golf drukt de drempel omlaag en vergrendelt de fase van meerdere emissies (laser).

Daarom is spontane emissie het samenspel van aangeslagen toestand + achtergrondruis + uitzenddrempel, niet “magie uit het niets”.

III. Belangrijkste “wijzen waarop licht ontstaat” (gegroepeerd naar fysische oorzaak)
Elke klasse volgt dezelfde drie stappen — opslaan – bundelen – uitzenden — maar verschilt in waar de reserve vandaan komt, hoe de drempel wordt gehaald en welk kanaal wordt benut:

1. Lijnemissie (afzakken van niveaus in atomen/moleculen):
   • Reserve: elektronconfiguraties worden opgehoogd (aangeslagen, of na ionisatie weer ingevangen).
   • Bundeling: de fase komt in een uitzendbare zone; achtergrondruis duwt over de drempel; een coherente enveloppe schiet weg; de frequentie wordt bepaald door het “interne ritme”.
   • Uitzenden: bijna isotroop; lijnbreedte bepaald door levensduur (korter → breder) en omgevingsruwheid (botsingen, veldkorreligheid).
   • Vertraagd licht (fluorescentie/fosforescentie): vastlopen in een metastabiele toestand doet de “deur” later opengaan; vertraging of kanaalcompetitie treedt op vóór emissie.
2. Thermische straling (zwartlichaam en quasi–zwartlichaam):
   • Reserve: talloze microprocessen in oppervlaktelagen wisselen voortdurend energie uit.
   • Bundeling: ontelbare kleine pakketjes worden bij ruwe grenzen herhaaldelijk herverwerkt en “aangezwart”, zodat individuele events statistisch middelen.
   • Uitzenden: spektrumvorm door temperatuur; vrijwel isotroop; lage coherentie, maar emissiviteit en polarisatie blijven afhankelijk van oppervlaktespanning en ruwheid.
3. Straling door versnelde ladingen (synchrotron/kromtestraling en remstraling):
   • Synchrotron/kromte: geladen bundels worden in een magneetveld of langs een gebogen baan “de bocht om” gedwongen; het spanningslandschap wordt continu herschreven en pakketten worden uitgestort — sterk gericht, sterk gepolariseerd, breedbandig.
   • Remstraling: abrupte vertraging in een sterk Coulombveld herschrijft het landschap scherp; een breedbandig pakket wordt uitgestoten, vooral in dichte materialen met hoog atoomnummer.
4. Recombinatie/herinvang (vrije elektron valt in het “zakje” van een ion):
   • Reserve: het ion vangt een elektron en verplaatst het systeem van “kostbaar” naar “zuiniger”.
   • Bundeling: energieverschil overschrijdt de drempel → één pakket komt vrij.
   • Uitzenden: duidelijke lijnenreeksen — het klassieke “neonbord” van nevels/plasma.
5. Annihilatiestraling (tegenpolen “ontknopen”):
   • Reserve: een stabiele tegen–oriëntatie ontmoet elkaar en ontrafelt filamenten.
   • Bundeling → Uitzenden: vrijwel de hele reserve wordt twee of meer tegengestelde pakketten (smalbandig, paarsgewijs gericht), zoals het fotonenpaar van ~0,511 MeV.
6. Cherenkovstraling (kegel van fase­snelheid):
   • Reserve: een geladen deeltje beweegt in een medium sneller dan de fasesnelheid van dat medium.
   • Bundeling → Uitzenden: langs het kegeloppervlak wordt de fase continu “gescheurd” en vormt zich blauwe gloed; de kegelhoek wordt bepaald door de fasesnelheid van het medium.
   • Kanaal: een speciaal geval waarin de pad­drempel blijvend in het supra–fasesnelheidsgebied wordt gehaald.
7. Niet-lineariteit en frequentiemenging (frequentieconversie, som/verschilfrequentie, Raman):
   • Reserve: een extern lichtveld levert energie; de niet-lineariteit van het medium herverdeelt die energie.
   • Bundeling → Uitzenden: als fasematching en kanaal kloppen, ontstaat een pakket op nieuwe frequentie (gestimuleerd of spontaan), met richting en coherentie bepaald door geometrie en materiaalspanning.

IV. Drie “uiterlijke eigenschappen” vanuit de basis: lijnbreedte, richting, coherentie

• Lijnbreedte. Kortere levensduur → minder tijd om de frequentie “precies te kiezen” → bredere lijn; rumoeriger omgeving (botsingen, ruwe velden) → sterkere decoherentie → nog breder.
• Richting/polarisatie. Worden bepaald door nabij–bron–geometrie en spanningsgradiënten. Vrije atomen stralen spontaan bijna isotroop; nabij magneetvelden/colimatiekanalen/grensvlakken wordt de straling sterk gericht en sterk gepolariseerd.
• Coherentie. Eén emissie is van nature coherent; veel herverwerking leidt richting thermisch licht met lage coherentie; met gestimuleerde, fase–vergrendelde emissie kan de coherentie juist zeer hoog worden (laser).

V. Niet elke verstoring wordt “licht dat ver reikt”: voortplantingsdrempels filteren

• Onvoldoende coherentie: de enveloppe valt al bij de bron uiteen en er vormt zich geen “gebundelde golf”.
• Verkeerd venster: de band valt in een sterk absorptiegebied en wordt nabij de bron opgeslokt.
• Kanaalmismatch: geen lage-impedantiecorridor of ongunstige oriëntatie, waardoor energie snel dissipert.

Licht dat ver komt voldoet altijd aan drie voorwaarden: voldoende intacte enveloppe, het juiste transparantievenster, en passend kanaal. De meeste andere verstoringen “borrelen” slechts in het nabije veld.

VI. Koppeling aan bestaande theorieën

• Einsteins coëfficiënten voor spontane/gestimuleerde emissie. De Energiefilamenttheorie concretiseert de “spontane kans” als achtergrondklop + uitzenddrempel en “gestimuleerd” als fasevergrendeling + drempelverlaging.
• Quantum-elektrodynamica (QED). QED beschouwt licht als veldkwanta en berekent interacties nauwkeurig. De Energiefilamenttheorie biedt een materiaal-geometrische verklaring via bundeldrempels → pad­drempels → sluitdrempels: waarom emissie discreet is, waarom voortplanting slaagt en waarom detectie pakketgewijs verloopt.
• Klassieke elektrodynamica (“versnelde lading straalt”). In termen van de Energiefilamenttheorie: een voortdurend herschreven spanningslandschap bundelt en zendt voortdurend straling uit.

VII. Samengevat

• Spontane emissie treedt op wanneer een aangeslagen toestand, licht geduwd door de achtergrondruis van de energiese, de uitzenddrempel overschrijdt en de reserve tot één pakket bundelt.
• Waarom licht “in pakketten” verschijnt: dubbele discretisatie door bundeldrempel aan de bron en sluitdrempel aan de ontvanger.
• Waar licht vandaan komt: lijnemissie, thermische straling, synchrotron/kromtestraling en remstraling, recombinatie, annihilatie, Cherenkov en niet-lineaire conversie—verschillende “serveerstijlen” van hetzelfde drie-stappenmechanisme.
• Lijnbreedte – richting – coherentie worden gezamenlijk bepaald door levensduur/omgeving en geometrie/spanning.
• Niet elke verstoring wordt licht op lange afstand: intacte enveloppe, juist venster en passend kanaal zijn alle drie vereist.

Eindzin: Licht is een gebundelde golf in de energiese; discretisatie ontstaat door drempels; de bron bepaalt de kleur, het pad vormt de vorm, de ontvanger bepaalt de opname.