反転分布（読み）はんてんぶんぷ（その他表記）population inversion

改訂新版　世界大百科事典

反転分布 (はんてんぶんぷ)
population inversion

絶対温度Tで熱平衡にある分子（原子，分子，固体中のイオンなどを代表して呼ぶ）の集団において，内部エネルギーがW_iである分子の数の統計的な平均値N_iは，ボルツマンの分布則により，

であたえられる。ここでN₀は全分子数，またで，kはボルツマン定数である。NはWに関して単調減少関数であるので，W₂＞W₁ならば，必ずN₂＜N₁である。何らかの形で，外部より分子系にエネルギーが供給されている場合はいくつかの分子準位に関して，高いエネルギー準位にある分子数が低いエネルギー準位にある分子数より多い状態が，定常的に，または過渡的に実現される場合がある。これを反転分布という。N₂＞N₁の状態は形式的には，（1）における温度Tが負の値をとったこと（N₂/N₁＝exp［－（W₂－W₁）/（－T′）］＞1）に相当するので負温度状態とも呼ばれる。しかし分子のすべての準位にわたる分布が，一つの温度で記述できるわけではないので，この表現はあまり適当とはいえない。

　電磁波の吸収または放出の強さは遷移の始状態と終状態にある分子数の差に比例するので，誘導過程の確率は熱平衡状態では，

　Bρ（N₂－N₁）＜0　　……（2）　

となり（BはアインシュタインのB係数と呼ばれる定数，ρは放射密度），正味で電磁波は吸収される。反転分布が実現している媒質を電磁波が通過するときは（2）の関係が逆転し，物質系のもつ内部エネルギーが電磁波に転化されて電磁波は強められる。これがメーザーまたはレーザーの原理であり，コヒーレントな電磁波の増幅や発振に利用されている。

　反転分布状態をつくりだす方法として，気体媒質については放電や電子衝撃，液体や固体媒質については光励起，半導体に対しては電流注入などが主として用いられる。特定のエネルギー準位に選択的に分子を励起する場合や，高い励起状態にくみあげられた分子が下のエネルギー準位に向かって緩和する際，その速さの違いで，途上のいくつかの準位の間で反転分布が実現される場合などがある。
→レーザー
執筆者：清水 忠雄

出典　株式会社平凡社「改訂新版　世界大百科事典」

ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典

反転分布
はんてんぶんぷ
population inversion

原子や分子でエネルギーの低い準位を占めている粒子の数より，エネルギーの高い準位の粒子数が多い分布状態で，熱平衡状態における分布が反転したもの。適当なポンピングによりつくられる。レーザーなど量子エレクトロニクスで用いられる。

出典　ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典

世界大百科事典（旧版）内の反転分布の言及

【レーザー】より

…light amplification by stimulated emission of radiation(誘導放出による光の増幅)の頭文字をつづってつくられたことば。低いエネルギー状態(エネルギー準位)にある分子(あるいは原子，イオン)の数より高いエネルギー状態にある分子の数のほうが多いという非熱平衡分布(反転分布)をしている物質系に，共鳴する光を作用させて，誘導放出過程によって，コヒーレントな光の増幅を起こさせることおよびそのための装置をいう。lightをmicrowave(マイクロ波)におきかえたメーザーmaserと同じ原理に基づく。…

※「反転分布」について言及している用語解説の一部を掲載しています。

出典｜株式会社平凡社「世界大百科事典（旧版）」