6.2 Sinaran Spontan dan Asal-usul Cahaya

Laman Utama ／ Bab 6: Alam Kuantum

I. Satu mekanisme, tiga langkah: Menyimpan tenaga → Menggugus melepasi ambang → Memancarkan
Setiap peristiwa “memancarkan cahaya” boleh diringkaskan kepada tiga langkah:

• Simpan (ada inventori tenaga).
  Dalam gambaran Teori Filamen Tenaga (EFT) tentang “filamen–lautan tenaga”, atom, molekul, pepejal dan plasma bersesuaian dengan konfigurasi ketegangan yang lebih ketat atau lebih longgar. Apabila dipanaskan, dipercepat oleh medan elektrik, dilanggar berkas, atau melalui tindak balas kimia, sistem “diangkat” dan menyimpan tenaga sebagai inventori ketegangan (keadaan teruja, keadaan dipercepat, keadaan terion).
• Guguskan (melepasi “ambang pelepasan”).
  Apabila fasa dalaman memasuki julat yang sesuai, gangguan latar luas-jalur dalam lautan tenaga memberi tolakan kecil. Sistem setempat melintasi ambang pelepasan dan membungkus inventori itu menjadi selubung gelombang ketegangan yang koheren—iaitu satu pek cahaya (yang di sepanjang laluan tampak sebagai “gelombang”).
  Intinya: penggugusan berasaskan ambang. Di bawah ambang, tiada “terserak separuh”; sebaik menyentuh ambang, terbentuk satu pek sempurna. Diskret pada sisi sumber inilah antara punca cahaya hadir setompok-setompok.
• Lepas dan merambat (memenuhi “ambang laluan”).
  Selepas dipancarkan, sejauh mana pek itu pergi bergantung pada ambang rambatan: selubungnya cukup koheren atau tidak, jalur frekuensinya jatuh dalam tetingkap ketelusan atau tidak, dan orientasi/salurannya sepadan dengan medium atau tidak. Jika memenuhi syarat, ia bergerak jauh; jika tidak, ia diserap, termalis atau terserak berhampiran sumber.
  Apabila pek bertemu penerima (elektron, molekul, piksel pengesan), ia juga mesti melintasi ambang penutupan untuk dikira sebagai penyerapan atau pancaran semula—ambang ini tidak boleh dipecah-pecah, maka pada sisi penerima juga tampak peristiwa “sekali-sepek”.

Ringkasnya: ambang penggugusan di sisi sumber menentukan “bagaimana dilepaskan”; ambang laluan menentukan “sejauh mana ia pergi”; ambang penutupan di sisi penerima menentukan “bagaimana ia diterima”. Rantai “ambang” ini menyatukan perambatan gelombang dengan perakaunan ala-zarah.

II. Mengapa boleh “spontan” — tetap memancar tanpa cahaya datang dari luar

• Keadaan teruja lebih sukar dikekalkan. Konfigurasi yang diangkat, dari sudut ketegangan, lebih “memakan upaya”; apabila fasa menghampiri “zon boleh lepaskan”, sistem cenderung melurut ke bawah.
• Lautan tenaga sentiasa ada hingar dasar. Ia tidak pernah statik; gangguan mikro jalur-luas sentiasa “mengetuk pintu”.
• Ketukan yang tepat memicu pelepasan. Apabila jajaran fasa tepat ditambah tolakan kecil, ambang pelepasan dilintasi dan satu pek cahaya dibungkus lalu dilepaskan.
• Sinaran terangsang hanya merendahkan ambang. Gelombang luar yang sefasa menurunkan ambang pelepasan dan mengunci fasa beberapa pelepasan agar berbaris seragam (laser).

Oleh itu, sinaran spontan terhasil daripada keadaan teruja + hingar dasar + ambang pelepasan yang serentak seiring—bukan “magis dari ketiadaan”.

III. “Sumber cahaya” utama (mengikut punca fizik)
Setiap kelas mengikuti tiga langkah yang sama—simpan – gugus – lepas—tetapi berbeza pada asal inventori, cara melintasi ambang, dan saluran yang diambil:

1. Sinaran garis (penurunan aras dalam atom/molekul):
   • Inventori: konfigurasi elektron diangkat (teruja, atau ditangkap semula selepas pengionan).
   • Penggugusan: fasa memasuki zon boleh lepaskan; hingar dasar menolak melintasi ambang; selubung koheren terpancar; frekuensi dikunci oleh “ritma dalaman”.
   • Pelepasan: hampir isotropik; kelebaran garis ditentukan oleh jangka hayat aras (lebih pendek → lebih lebar) dan kekasaran persekitaran (perlanggaran, kegarangan medan).
   • Lengahan (pendarfluor/pendarfosfor): jika tersangkut pada aras meta-stabil, “pintu” lambat dibuka; wujud lengahan atau persaingan saluran sebelum pelepasan.
2. Sinaran terma (badan-hitam dan hampir badan-hitam):
   • Inventori: proses mikro yang banyak di lapisan permukaan saling menukar tenaga berterusan.
   • Penggugusan: pek-pek kecil yang tidak terkira diolah semula berkali-kali pada sempadan kasar lalu “diaramkan”, memusatkan kejadian diskret.
   • Pelepasan: bentuk spektrum ditentukan suhu; hampir isotropik; koheren rendah tetapi emissiviti dan kekutuban tetap mencerminkan ketegangan permukaan dan kekasaran.
3. Sinaran daripada cas dipercepat (sinkrotron/lengkung, dan bremsstrahlung):
   • Sinkrotron/lengkung: berkas bercas “dipaksa membelok” oleh medan magnet atau jejak melengkung, menulis semula landskap ketegangan secara berterusan dan memancarkan pek—sangat berarah, sangat berkutub, jalur luas.
   • Bremsstrahlung: nyahpecutan mendadak dalam medan Coulomb kuat menukar landskap ketegangan secara tajam; pek berjalur luas terbit, menonjol dalam bahan padat dan bernombor atom tinggi.
4. Penggabungan semula/penangkapan semula (elektron bebas jatuh ke “poket” ion):
   • Inventori: “poket” ion menangkap elektron, membawa sistem daripada “lebih membebankan” kepada “lebih menjimatkan”.
   • Penggugusan: beza tenaga melintasi ambang → satu pek dipancarkan.
   • Pelepasan: siri garis yang jelas—“lampu neon” klasik bagi nebula/plasma.
5. Sinaran pemusnahan (pasangan bertentangan “terungkai”):
   • Inventori: pasangan berorientasi bertentangan yang stabil bertemu lalu meleraikan filamen.
   • Penggugusan → Pelepasan: hampir seluruh inventori menjadi dua atau lebih pek berlawanan arah (jalur sempit, berpasangan arah), misalnya pasangan foton ~0.511 MeV.
6. Sinaran Cherenkov (kon laju fasa):
   • Inventori: cas bergerak dalam medium lebih laju daripada laju fasa medium itu.
   • Penggugusan → Pelepasan: “mengoyak fasa” berterusan di permukaan kon lalu membentuk pijaran kebiruan; sudut kon ditentukan laju fasa medium.
   • Saluran: kes khas di mana ambang laluan dikekalkan dalam rejim supra-laju-fasa.
7. Proses tak linear dan percampuran (penukaran frekuensi, jumlah/beza frekuensi, Raman):
   • Inventori: medan optik luaran membekalkan tenaga; ketaklinearan medium mengagih semula tenaga.
   • Penggugusan → Pelepasan: apabila pandingan fasa dan saluran dipenuhi, terbentuk pek pada frekuensi baharu (boleh terangsang atau spontan), dengan keberarahan dan koheren bergantung pada geometri dan ketegangan bahan.

IV. Tiga “rupa luaran” yang ditentukan oleh dasar: kelebaran garis, keberarahan, koheren

• Kelebaran garis. Jangka hayat lebih pendek → kurang masa “menala frekuensi” → garis lebih lebar; persekitaran lebih “bising” (perlanggaran, medan kasar) → nyahkoheren lebih kuat → garis semakin lebar.
• Keberarahan/Kekutuban. Ditetapkan oleh geometri medan-dekat dan kecerunan ketegangan. Sinaran spontan daripada atom bebas hampir isotropik; berhampiran medan magnet/saluran kolimasi/antara muka, sinaran menjadi sangat berarah dan sangat berkutub.
• Koheren. Satu pelepasan secara semula jadi koheren; selepas banyak pusingan pemprosesan semula, ia menghampiri cahaya terma yang kurang koheren; jika dikunci fasa melalui pelepasan terangsang, koheren boleh ditingkatkan tinggi (laser).

V. Bukan semua gangguan menjadi “cahaya jarak jauh”: ambang rambatan menapis

• Koheren tidak mencukupi: selubung pecah di sumber, “gelombang bergugus” gagal terbentuk.
• Tetingkap tidak sepadan: jalur frekuensi jatuh dalam kawasan serapan kuat lalu ditelan berhampiran sumber.
• Saluran tidak padan: tiada koridor impedans rendah atau orientasi tersalah, tenaga cepat terhapus.

Cahaya yang boleh bergerak jauh mesti memenuhi tiga syarat serentak: selubung cukup utuh, jatuh dalam tetingkap ketelusan yang betul, dan saluran sepadan. Baki gangguan kebanyakannya hanya “muncul gelembung” di medan-dekat.

VI. Perbandingan dengan teori sedia ada

• Pekali spontan/terangsang Einstein. Teori Filamen Tenaga memperjelas “kebarangkalian spontan” sebagai ketukan hingar dasar + ambang pelepasan, dan “terangsang” sebagai penguncian fasa + penurunan ambang.
• Elektrodinamik Kuantum (QED). QED memandang cahaya sebagai kuanta medan dan mengira interaksi secara tepat. Teori Filamen Tenaga menawarkan penjelasan bahan–geometri melalui rantai ambang penggugusan → ambang laluan → ambang penutupan—mengapa pelepasan diskret, mengapa rambatan berjaya, dan mengapa pengesanan berlaku setompok-setompok.
• Elektrodinamik Klasik (“cas dipercepat pasti memancar”). Dalam bahasa Teori Filamen Tenaga, landskap ketegangan yang sentiasa ditulis semula akan sentiasa menggugus dan memancarkan sinaran.

VII. Ringkasan

• Sinaran spontan terjadi apabila keadaan teruja, ditolak kecil oleh hingar dasar lautan tenaga, melintasi ambang pelepasan dan membungkus inventori menjadi satu pek.
• Mengapa cahaya hadir “sekali-sepek”: diskret ganda daripada ambang penggugusan di sumber dan ambang penutupan di penerima.
• Asal-usul cahaya: sinaran garis, sinaran terma, sinkrotron/lengkung dan bremsstrahlung, penggabungan semula, pemusnahan pasangan, Cherenkov, serta penukaran tak linear—semuanya “gaya hidangan” berbeza bagi mekanisme tiga langkah yang sama.
• Kelebaran garis – arah – koheren ditentukan bersama oleh jangka hayat/persekitaran dan geometri/ketegangan.
• Tidak semua gangguan menjadi cahaya jarak jauh: selubung utuh, tetingkap yang tepat, dan saluran padan mesti hadir serentak.

Satu ayat penutup: Cahaya ialah gelombang yang digugus dalam lautan tenaga; diskret terbit daripada ambang; sumber menentukan warna, laluan menentukan rupa, penerima menentukan penerimaan.