Untertitel: Eineiige Zwillinge
Wenn auf ein Elektron das passende Photon trifft, dann wird es auf ein höheres Energieniveau gehoben. Dann gibt es zwei Möglichkeiten. Bei einem „normalen„ Quantensprung fällt das angeregte Elektron nach kurzer Zeit ohne äußere Einflüsse wieder auf das Grundniveau zurück und sendet dabei ein Photon aus (folgende Abb. a). Man spricht in diesem Fall von einer spontanen Emission (= Aussendung) des Photons. Weder der Zeitpunkt des Rücksprungs noch die Richtung, in der das Photon wegfliegt, können vorhergesagt werden - typisch Quantenwelt eben.
Wenn aber auf das bereits angeregte Elektron nochmals ein gleiches Photon trifft, dann wird das Elektron wieder auf das Grundniveau „zurückgerissen“. Das verursachende und das dabei entstehende Photon sind vollkommen identisch (b). Weil der Rücksprung in diesem Fall nicht spontan erfolgt, sondern vom heranfliegenden Photon angeregt wird, spricht man von einer stimulierten Emission.
Bei einem stabilen Zustand ist die potenzielle Energie immer ein Minimum. Wie ist das mit der Kugel in Abb. a(F12)? Wenn sie nicht allzu stark ausgelenkt wird, ist sie stabil. Wenn man sie aber etwas stärker anstupst, dann wird sie in einen noch stabileren Zustand übergehen (b), quasi in den Grundzustand. Zustände ähnlich wie in Abb. a nennt man in der Physik generell metastabil. Die griechische Silbe „meta„ bedeutet „zwischen“. Metastabilität bedeutet also „Zwischenstabilität„ und ist eine „schwache“ Form der Stabilität.
| Die zwei Möglichkeiten der Aussendung (Emission) eines Photons. Bei Laser spielt die stimulierte Emission eine große Rolle. |
| Modellhafte Vorstellung von angeregten Energieniveaus a) Die Kugel ist nicht stabil und rollt sofort zurück, b) Kleine Störungen sind möglich, ohne dass die Kugel aufs Grundniveau zurückrollt. Das entspricht einem metastabilen Zustand. Die Verweildauer am höheren Niveau ist wesentlich länger als bei a. |
Auch bei Elektronenorbitalen gibt es unter ganz bestimmten, aber seltenen Bedingungen Metastabilität. Während bei einem Elektron normalerweise Verweildauer und Rücksprung in Summe etwa `10^{-8}`s dauern, dauert es bei einem metastabilen Niveau einige Tausendstel Sekunden (`10^{-3}`s), also 100 000-mal länger (vorherige Abb. b). Für ein angeregtes Elektron ist das eine halbe Ewigkeit.