инверсия что это в физике

Что такое инверсия

Инверсия используется в различных науках для объяснения того или иного явления. Ее применяют в филологии, математики, физике, логике, химии, метеорологии, геологии, биологии и психологии. Вследствие этого постоянно существует большая сложность понимания данного понятия, которое может трактоваться совершенно по-разному.

Именно поэтому в каждом конкретном случае крайне важно разобраться, что конкретно подразумевается под инверсией.

Филология

Инверсия в филологии обозначают одну из популярных стилистических фигур. Она используется в качестве средства для улучшения выразительности речи. Суть инверсии заключается в расположении слов в рядке в обратно порядке.

Преимущественно инверсия используется в поэтических строчках. Она подразумевает своеобразную расстановку слов, которая нарушает обычный порядок. Это может быть выполнено следующим образом:

Инверсия используется в филологии преимущественно для того чтобы подчеркнуть смысловую значимость слов или же определить их поэтическую выразительность.

Таким образом можно придать всей строчке особую интонацию. Подобная стилистическая окраска дает поэзию более сложной, возвышенной и торжественной.

В российской художественной литературе инверсию в своих сочинениях использовали К. Феофанов, И. С. Тургенев, Л. Н. Толстой, А. С. Пушкин, И. Бродский, В. Маяковский, А. Копятева, С. Есенин и др.

Все эти великие поэты и писатели в своем творчестве стремились периодические использовать непрямой порядок слов, чтобы заострять таким образом внимание читателей на тех или иных важных моментах.

Математические науки

Понятие инверсия образовалось от латинского слова inversio. Оно переводится на русский язык, как «переворачивание» или же «перестановка». Именно в подобном значение инверсия используется практически во всех случаях, независимо от науки или сферы деятельности.

В математике инверсия применяются следующим образом:

В математике инверсия используется в логике, геометрии, теории перестановок и информатике. В каждом конкретном случае она имеет свое отдельное значение, которое невозможно использовать в других сферах деятельности.

Физика и ее направления

В физике инверсия имеет всего два основных значения:

Таким образом, в физике инверсия применяется в оптике, лазерной механике и даже теории симметрий.

Другие естественные науки

Среди естественных наук, в которых используется инверсия, специалисты выделяют биологию, химию, психологию, метеорологию и геологии. В каждой из них данное понятие имеет особое значение, в котором обязательно необходимо разобраться, чтобы понимать смысл его употребления. Именно поэтому стоит обратить внимание на следующие соответствия:

Таким образом, понятие инверсия является очень многозначным. Его значение напрямую зависит от контекста. Для того чтобы не запутаться во всех его способах использования, необходимо понимать отличительные черты применения данного термина в отдельно взятых сферах наук.

Источник

Инверсия электронных населенностей

Инверсия электронных населённостей — одно из фундаментальных понятий физики и статистической механики, используемое для описания принципов функционирования лазеров.

Содержание

Распределение Больцмана и термодинамическое равновесие

Чтобы понять концепцию инверсии населённостей, необходимо сначала пояснить некоторые моменты термодинамики и законы взаимодействия света с веществом. Для примера представим, что рабочее тело лазера состоит из нескольких атомов, каждый из которых может находиться в одном из двух энергетических состояний:

Количество атомов, находящихся в основном состоянии, примем равным N₁, а количество возбуждённых атомов — N₂.

Таким образом, общее число атомов будет

Разница между энергетическими уровнями ΔE = E₂—E₁

определяет характерную частоту ν₂₁ света, который взаимодействует с атомами. Найти её можно из следующего выражения:

Если группа атомов находится в термодинамическом равновесии, то число атомов, находящихся в каждом состоянии, можно найти с помощью распределения Больцмана:

,

Таким образом, мы можем рассчитать населённость каждого энергетического уровня для комнатной температуры (T≈300K) для энергии ΔE, соответствующей видимому свету (ν≈5·10 14 Гц).

Так как E₂ — E₁ >> kT, следовательно показатель степени в вышеприведённом выражении представляет собой большое отрицательное число, т. е. N₂/N₁ крайне мало, а число возбуждённых атомов практически равно нулю.

Таким образом, в случае термодинамического равновесия, состояние с низкой энергией намного популярней возбуждённого состояния, и это является нормальным состоянием системы. Если удастся каким-либо способом обратить ситуацию, т. е. сделать N₂/N₁ > 1, то тогда можно будет сказать, что система перешла в состояние с инверсией электронных населённостей.

Анализ этих утверждений показывает, что в случае термодинамического равновесия, согласно распределению Больцмана, для любых положительных значений ΔE и температуры, N₁ всегда будет значительно превышать N₂. Отсюда следует, что для получения инверсии населённостей, система не может находиться в термодинамическом равновесии.

Взаимодействие света и вещества

В природе существует три механизма взаимодействия света с веществом, которые представляют интерес в данном случае:

Поглощение

Если свет (фотоны с частотой ν₂₁) проходит через группу атомов, существует вероятность, что свет будет поглощён атомом, находящимся в основном состоянии, что вызовет его переход к возбуждённому состоянию. Вероятность поглощения пропорциональна интенсивности света, а также количеству атомов N₁, находящихся в основном состоянии.

Спонтанное излучение

Если атом находится в возбуждённом состоянии, он может самопроизвольно перейти в основное состояние с вероятностью, пропорциональной количеству возбуждённых атомов N₂. Разница в энергии между этими состояниями ΔE при этом излучится атомом в виде фотона частоты ν₂₁, которую можно найти из выражения, приведённого выше.

При этом процессе фотоны излучаются неупорядоченно (стохастически), т. е. фазы волн таких фотонов не совпадают. Другими словами, спонтанное излучение некогерентно. В случае отсутствия других механизмов, количество возбуждённых атомов в момент времени t можно найти как

,

где N₂(0) — количество возбуждённых атомов в момент времени t=0, τ₂₁ — предполагаемое время до перехода между двумя состояниями.

Вынужденное излучение

Если атом уже находится в возбуждённом состоянии, переход к основному состоянию может произойти принудительно, если рядом пройдёт фотон частоты ν₂₁, соответствующей энергии ΔE. При этом атом излучит второй фотон частоты ν₂₁. Так как первый фотон при этом не поглотился, на выходе мы будем иметь уже два фотона одинаковой частоты. Такой процесс называется вынужденным излучением. Количество принудительно излучивших атомов пропорционально числу атомов в возбуждённом состоянии N₂, а также интенсивности внешнего излучения.

Ключевым моментом процесса вынужденного излучения является то, что второй фотон имеет ту же частоту и фазу, что и первый. Другими словами, оба фотона когерентны. Это свойство делает возможным процесс оптического усиления, а, следовательно, и создание лазеров.

В процессе работы лазера имеют место все три описанных выше механизма взаимодействия света с веществом. В начальный момент атомы переходят в возбуждённое состояние с помощью процесса накачки, который описан ниже. Некоторые из этих атомов спонтанно излучат некогерентные фотоны частоты ν. Эти фотоны возвращаются в рабочее тело лазера с помощью оптического резонатора, элемента конструкции лазера. Часть этих фотонов поглотится атомами, находящимися в основном состоянии, и они будут потеряны для процесса работы лазера. Другая же часть вызовет вынужденное излучение возбуждённых атомов, создавая когерентные фотоны. В результате мы получим оптическое усиление.

Если количество фотонов, участвующих в усилении за единицу времени больше числа фотонов, поглощённых атомами, общее количество фотонов начнёт увеличиваться, и можно будет сказать, что коэффициент усиления рабочего тела стал больше единицы.

Если использовать приведённые выше соотношения для процессов абсорбции и вынужденного излучения, интенсивность каждого процесса пропорциональна количеству атомов в основном и возбуждённом состоянии N₁ и N₂. В случае, если количество атомов в основном состоянии намного больше, чем в возбуждённом (N₁ > N₂), процесс абсорбции будет доминировать и все фотоны поглотятся. В случае равенства этих величин (N₁ = N₂), количество фактов поглощения будет соответствовать количеству фактов вынужденного излучения, а рабочее тело будет оптически прозрачным. Если же количество возбуждённых атомов будет преобладать (N₁ Создание инверсии населённостей

Как указано выше, для работы лазера необходима инверсия населённостей, однако получить её для группы атомов, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно. Фактически, прямой переход атомов в возбуждённое состояние будет всегда компенсироваться процессами спонтанного и вынужденного излучений. Лучшее, что может быть достигнуто в такой ситуации — оптическая прозрачность в случае N₁ = N₂ = N/2, но не усиление.

Чтобы достигнуть неравновесного состояния, необходимо использовать косвенные способы перевода атомов в возбуждённое состояние. Чтобы понять, как это работает, мы будем использовать более реалистичную модель, известную как трёхуровневый лазер. Возьмем ещё раз группу из N атомов, но теперь каждый из них может находиться в трёх различных энергетических состояниях, на уровнях 1, 2 и 3 с энергиями E₁,E₂ и E₃, в количестве N₁, N₂ и N₃, соответственно. При этом диаграмма энергетических уровней будет выглядеть следующим образом:

На этой диаграмме E₁ 0. Далее нам необходимо, чтобы атомы быстро перешли на уровень 2. Освобождённая при этом энергия может излучиться в виде фотона механизмом спонтанного излучения, но на практике рабочее тело лазера выбирают так, чтобы переход 3→2, обозначенный на диаграмме буквой R, проходил без излучения, а энергии тратилась на нагрев рабочего тела.

Атом на уровне 2 может перейти на основной уровень, спонтанно излучив фотон частоты ν₂₁ (которую можно найти из выражения E₂—E₁ = hν₂₁). Этот процесс показан на диаграмме буквой L. Время до этого перехода τ₂₁ значительно превышает время неизлучающего перехода 3→2 — τ₃₂ (τ₂₁ >> τ₃₂). При таком условии, количество атомов на уровне 3 будет примерно равно нулю (N₃ ≈ 0), а количество атомов на уровне 2 — больше нуля (N₂ > 0). Если на этом уровне удастся удержать больше половины атомов, между уровнями 1 и 2 будет достигнута инверсия населённостей, а на частоте ν₂₁ начнётся оптическое усиление.

Поскольку для достижения такого эффекта нужно возбудить не менее половины атомов, для накачки нужна очень большая энергия. Поэтому трёхуровневые лазеры непрактичны, хотя они и стали первыми созданными Теодором Майманом лазерами (на основе рубина) в 1960 году. На практике чаще используются четырёхуровневые лазеры, как показано на диаграмме ниже:

Полученное оптическое усиление (и, соответственно, работа лазера) происходит на частоте ν₃₂ (E₃—E₂ = hν₃₂)

Так как для образования инверсии населённостей в четырёхуровневом лазере достаточно небольшого числа атомов, такие лазеры более практичны. Это объясняется тем, что основное число атомов продолжает оставаться на уровне 1, а инверсия населённостей образуется между уровнями 3 (где находится некоторое число возбуждённых атомов) и уровнем 2, где атомов практически нет, потому что они быстро попадают на уровень 1.

На самом деле можно сделать лазеры с количеством энергетических уровней, большим четырёх. Например, у лазера может быть несколько уровней накачки, либо они могут образовывать сплошную полосу, позволяя лазеру работать в широком диапазоне длин волн.

Следует заметить, что энергия перехода оптической накачки в трёх- и четырёхуровневых лазерах превышает энергию перехода излучения. Отсюда следует, что частота излучения накачки должна быть больше частоты выходного излучения лазера. Другими словами, длина волны излучения накачки короче длины волны лазера. При этом для некоторых рабочих тел возможен процесс, когда накачка происходит поэтапно, через несколько уровней. Такие лазеры называются up-conversion lasers (лазер с кооперативным эффектом).

Несмотря на то, что в большинстве лазеров процесс излучения вызывается переходом атомов между различными электронными энергетическими уровнями, описанными выше, это может быть не единственным механизмом работы лазера. Многие широко используемые лазеры (например, лазеры на красителях, лазеры на углекислом газе), в которых рабочее тело состоит из молекул, энергетические уровни могут соответствовать режимам колебаний этих молекул. В случае водяных мазеров, такой процесс происходит и в природе.

Источник

Что это такое инверсия: точное определение

Грамотная речь — это показатель культуры и образованности любого человека. При устном выражении своих мыслей люди используют различные приемы, позволяющие наиболее точно передать суть. Зачастую для усиления окраски текста применяется прием перестановки, при этом даже не зная, что такое инверсия. Что это за явление, и только ли в речи она допустима? Попробуем разобраться во всех значениях этого слова.

Значение термина

Википедия не только дает определение данному термину, но и указывает, в каких областях он употребляется. Слово произошло от латинского «inversio», что дословно переводится как «перестановка», «переворачивание».

Если обратиться к Литературной энциклопедии, то цели инверсии — это:

Помимо перестановки дополнительно может использоваться прием разбивки предложений с помощью вставных слов или целых словосочетаний. Нередко инверсионный прием использовался литературными классиками в художественной прозе, поэзии.

Если говорить о стилистическом смысле, то одни и те же слова предложения, но только после инверсирования, на новом месте, приобретают выразительность (новую окраску). Именно с помощью этого приема удается добиться усиленного интонационного выделения.

Обратите внимание! Вне зависимости от того, об инверсировании какой именно области идет речь, значение слова не меняется. То есть смысл так и остается в перестановке, взаимозамене, смене смысла на противоположный.

Таким образом, в литературе инверсия — это нарушение порядка слов в предложении путем перестановки с целью изменения (усиления) окраски, выделения отдельных слов. Используя данный прием, автор может расставить смысловые акценты, а также заострить внимание слушателя (читателя) на определенной фразе.

Это интересно! Для чего нужна парцелляция, что это такое: конкретные примеры

Применение

В педагогике

Помимо художественной литературы и привычной устной (письменной) речи, инверсия широко применяется в области коррекционной педагогики или специальной психологии. Используется как инверсионная методика, основанная на поиске нескольких решений для одной поставленной творческой задачи.

В педагогике данный метод получил название «методика обращения». Это в разы увеличивает результативность при решении поставленной задачи, так как процесс подразумевает творческий подход. Эффективность обусловлена следующим:

Специалисты, как психологи, так и педагоги, применяют метод для оценки оригинальности и креативности отдельно взятого человека. Способ является поистине универсальным, потому как позволяет не только оценить имеющиеся таланты человека, но и развить их со временем.

По сути, данная методика известна давно и встречается в психологии, педагогике и бизнес-управлении как «мозговой штурм» или «мозговая атака». В каждом отдельно взятом случае креативный подход к решению задачи осуществляется с применением либо логических, либо эвристических методов.

Это интересно! Что такое метонимия в литературе: примеры и способы определения

В точных науках

Помимо устной и письменной речи, художественной литературы и инверсионной методики в педагогике, инверсия нашла применение в точных дисциплинах. Например, в физике, химии, математике, геометрии, информатике.

Само понятие «инверсия» раскрывается в точных науках следующим образом:

Говоря о физике, следует упомянуть инверсию электронных населенностей. Это инверсия света, представляющая собой одну из основ статической механики. Широко используется для описания работы лазерного устройства.

В химии рассматривается гораздо шире:

С целью конформного преобразования, что в геометрии встречается при изучении евклидовой плоскости (пространства).

Это интересно! Значение слова гротеск – что это такое в литературе

Применим прием и в информатике. Используется в качестве битовой операции, с помощью которой выполняется переход от 0 к 1 и соответственно от 1 к 0.

Использование в современных науках

Воспользовавшись главным свойством инверсии, а это способность менять одно качество на прямо противоположное, современные умы нашли применение инверсии в компьютерной графике и программах-редакторах по обработке фото- и видеоизображений. Проще говоря, метод стал популярным в таком типе программ, как Фотошоп.

Что такое инверсия в Фотошопе? Это способ акцентировать внимание (выделить) отдельный объект (или участок объекта), а кроме этого, выполнить кардинальную замену выбранных цветов. Итак, существует два типа инверсии, используемой в Фотошопе:

Возьмите на заметку! Для применения Inverse по выделению области необходимо поэтапно выполнить несколько команд, а именно «выделение»→ «модификация»→ «инверсия».

Если в начальном изображении величина пикселя равна 250, то после инверсирования это значение будет изменено на 5. То есть на практике все темные оттенки будут обращены в светлые или наоборот (в зависимости от начального изображения, подвергающегося инверсированию).

Инверсия цвета наиболее любима профессионалами и фотографами-любителями при преобразовании обычного фотоснимка в изображение с эффектом карандашного рисунка. Такой прием позволяет добиться результата, как от настоящей классической графики карандашом или углем.

Использование Invert для преобразования цветов требует поочередно произвести некоторые действия: «изображение»→ «коррекция»→ «инверсия». Обработка изображений подобным способом позволяет сменить цвета, яркость и насыщенность отдельно взятых объектов или всего снимка целиком.

Это интересно! Как определяется и что такое аллегория в художественной литературе

Полезное видео

Подведем итоги

Как можно убедиться, практически нет такой области, где не встречается это явление. Возможно, не все знают данный термин и его значение, но каждый периодически встречается с ним не только в своей профессиональной деятельности, но и в повседневной жизни. Например, все мы сталкивались с таким фактом, как резкие перепады температуры во время восхождения на горные вершины. Или же слышали о таком явлении, как изменившееся магнитное поле Земли. Все это инверсивные процессы.

Источник

Значение слова «инверсия»

[От лат. inversio — перестановка]

Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

Инверсия (логика), отрицание — переворачивание смысла, замена «белого» «чёрным».

Инверсия (геометрия) — конформное преобразование евклидовой плоскости или пространства.

Инверсия (перестановка) — термин, относящийся к перестановкам в математике; либо пара ключей, которые нарушают порядок в файле.

Инвертирование (компьютерные науки) — битовая операция, переводящая 0 в 1 и 1 в 0. Логическое НЕ.

Инверсия населённостей (оптика, лазерная техника) — состояние вещества, при котором более высокие уровни энергии составляющих его частиц (атомов, молекул и т. п.) больше «населены» частицами, чем нижние.

Инверсия (квантовая механика) — преобразование пространства, в математике называемое отражением. Играет существенную роль в теории симметрий.

В других естественных и экспериментальных науках:

Инверсия (химия) — в органической химии процесс расщепления сахарида.

Инверсия (метеорология) — аномальное изменение какого-либо параметра (как правило температуры) с увеличением высоты.

Инверсия магнитного поля (геология) — изменение направления магнитного поля Земли

Инверсия (биология) — изменение структуры хромосомы, вызванное поворотом на 180° одного из внутренних её участков.

Инверсия (психология) — гомосексуальность (согласно Хавелоку Эллису)

Инверсия (поэзия) — нарушение порядка ударений в стихе.

Инверсия (синтаксис) — изменение нормального порядка слов в предложении. Средство образования определённых типов предложения (например, отрицательных и некоторых вопросительных в английском) или выделения предложения или его частей.

Использование синтаксической инверсии в риторике — изменение нормального порядка слов или словосочетаний с целью подчеркнуть главное, избежать монотонности и вообще усилить воздействие речи (слова).

Использование синтаксической инверсии в литературе — изменение нормального порядка слов в предложении как стилистический приём.

Инверсия (драматургия), инверсия в композиции — драматургический приём, демонстрирующий исход конфликта в начале пьесы.

«ИНая Версия» (ИНверсия) — студенческая газета Национального исследовательского университета «МИЭТ»

ИNверсия (группа) — музыкальная группа.

ИНВЕ’РСИЯ, и, ж. [латин. inversio — переворачивание] (лингв., лит.). Перестановка слов, нарушающая обычный порядок их в предложении; конструкция с обратным порядком слов, напр. Унылая пора! очей очарованье (вм. очарованье очей)! Пшкн.

Источник: «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова (1935-1940); (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека

инве́рсия

1. лингв. изменение обычного порядка слов в предложении с целью подчёркивания смысловой значимости какого-либо слова или придания всей фразе особой стилистической окрашенности ◆ Так, инверсия в речи ребенка собственно вовсе не является инверсией в том смысле, в каком она является таковой в речи взрослого. У взрослого выработался уже определённый порядок слов, принятый нормами грамматики, и инверсия означает изменение этого уже установившегося порядка для того, чтобы выделить, подчеркнуть определённое слово: это стилистический приём, основанный на знании или хотя бы чувстве того эффекта, который получается в результате такой инверсии, такого изменения установленного порядка. С. Л. Рубинштейн, «Основы общей психологии», часть 3, 1940 г. (цитата из НКРЯ) ◆ Гоголь вводит эту потрясающую в её тихой сдержанности фразу великой любви и великой скорби своего героя в окружение своей, авторской, речи, тоже настроенной уже не на тон задушевного юмора, а на тон высокой поэзии; отсюда «высокая» инверсия «он по́днял глаза свои». Г. А. Гуковский, «Изучение литературного произведения в школе», Методологические очерки о методике, 1941 г. (цитата из НКРЯ) ◆ Путём обсуждения с учениками приходим к выводу, что в таком виде предложение это оставить нельзя; при наличии союза инверсия, употреблённая Пушкиным, становится неуместной и необходимо восстановить обычный прямой «логический» порядок слов. М. М. Бахтин, «Вопросы стилистики на уроках русского языка в средней школе», 1942–1945 г (цитата из НКРЯ)

2. геометр. преобразование определённого типа евклидовой плоскости или евклидова пространства с выколотой точкой

3. метеорол. аномальное изменение какого-либо параметра атмосферы с увеличением высоты ◆ Это была инверсия — след разрежённых паров, тянувшихся за самолётом. С. Вишенков, «Испытатели», 1947 г. (цитата из НКРЯ)

Делаем Карту слов лучше вместе

Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!

Спасибо! Я стал чуточку лучше понимать мир эмоций.

Вопрос: обвешать — это что-то нейтральное, положительное или отрицательное?

Источник