Spis treści tomu II
Do Czytelników XI
Od tłumaczy XIII
Jak najlepiej wykorzystać „Chemię wokół nas” XV
Podziękowania XIX
10. Spektroskopia molekularna 463
Poszukiwanie życia na Marsie 464
10.1. Wprowadzenie do spektroskopii molekularnej 465
10.2. Energie molekularne i spektroskopia 468
Ramka 10.1. Cząstka w jednowymiarowym pudle potencjału 469
10.3. Ogólne zasady spektroskopii 473
Ramka 10.2. Lasery 479
10.4. Spektroskopia rotacyjna 481
Ramka 10.3. Wykorzystanie spektroskopii rotacyjnej do monitorowania rodników ClO• w atmosferze 489
10.5. Spektroskopia oscylacyjna 491
Ramka 10.4. Prosty model oscylatora harmonicznego cząsteczki dwuatomowej 494
Ramka 10.5. Atmosferyczne stężenia ditlenku węgla 500
Ramka 10.6. Stopnie swobody i postacie drgań normalnych 501
10.6. Spektroskopia elektronowa 506
Ramka 10.7. Spektroskopia elektronowa i kolor 507
10.7. Spektroskopia rezonansu spinowego 511
Ramka 10.8. Sprzężenie spinowo–spinowe w widmach NMR 519
Ramka 10.9. Rezonans magnetyczny (MRI) 522
Powtórzenie zagadnień 524
Podstawowe równania 525 Zadania 526
11. Chemia analityczna 529 Środki dopingujące, sport i chemia analityczna 530
11.1. Przeprowadzanie analizy 532
Ramka 11.1. Analityka zanieczyszczeń żywności 539
11.2. Analiza elektrochemiczna 540
Ramka 11.2. Szybka analiza krwi za pomocą metod elektrochemicznych 543
11.3. Chromatografia 545
Ramka 11.3. Monitorowanie obecności PCB w środowisku 554
Ramka 11.4. Chromatografia gazowa z detektorem spektrometrem mas (GC–MS) 556
Ramka 11.5. Chiralna HPLC 558
11.4. Analiza spektroskopowa 559
Ramka 11.6. Analiza zawartości alkoholu a jazda pod wpływem alkoholu 560
Ramka 11.7. Pulsoksymetr 563
11.5. Spektrometria atomowa 564
Ramka 11.8. Dlaczego temperatura jest tak ważna w emisyjnej spektrometrii atomowej? 565
Powtórzenie zagadnień
równania
12. Charakterystyka cząsteczek 575
Zastosowanie badania proporcji izotopów do analizy soku pomarańczowego 576
12.1. Spektrometria mas 577
Ramka 12.1. Metody jonizacji 579
Ramka 12.2. Użycie tandemowej spektrometrii mas do badań przesiewowych noworodków 588
12.2. Spektroskopia w podczerwieni 590
12.3. Spektroskopia jądrowego rezonansu magnetycznego 598
Ramka 12.3. Pomiar widma NMR
Ramka 12.4. Natężenie pola magnetycznego a rozdzielczość
600
600
Ramka 12.5. Przewidywanie widma 1H NMR 615
12.4. Określanie struktury cząsteczki na podstawie danych z różnych technik 621
Ramka 12.6. Określanie stopnia nienasycenia 622
Powtórzenie zagadnień 627
Zadania 628
13. Energia i termochemia 633
Wystrzelenie rakiety Ariane 5 634
13.1. Zmiany energii w chemii: ciepło i praca 636
Ramka 13.1. James Joule i równoważność ciepła i pracy 636
13.2. Entalpia i zmiany entalpii 641
13.3. Zmiany entalpii podczas reakcji chemicznej 644
Ramka 13.2. Porównanie paliw 651
Ramka 13.3. Termochemia – przygotowania posiłków 652
13.4. Zmiana entalpii wraz z temperaturą 655
Ramka 13.4. Wyprowadzenie równania Kirchhoffa 658
13.5. Energia wewnętrzna i pierwsza zasada termodynamiki 659
Ramka 13.5. Izotermiczne rozszerzanie gazu doskonałego 660
Ramka 13.6. Nitrogliceryna: chemia materiałów wybuchowych 665
13.6. Pomiar zmian energii 666
Ramka 13.7. Kalorymetria, żywność i metabolizm 670
Powtórzenie zagadnień 672
Podstawowe równania 672
Zadania 673
14. Entropia i entalpia swobodna 677
Fałdowanie białek 678
14.1. Co to jest proces samorzutny? 679
14.2. Entropia i druga zasada termodynamiki 683
Ramka 14.1. Zmiana molowej entropii substancji w zależności od temperatury 686
14.3. Trzecia zasada termodynamiki i entropie absolutne 687
Ramka 14.2. Określanie standardowej entropii, S ꝋ 298 688
Ramka 14.3. Jaka jest najniższa temperatura, jaką można osiągnąć? 691
14.4. Zmiany entropii podczas reakcji chemicznej 692
Ramka 14.4. Co się stanie, jeżeli białka nie fałdują się prawidłowo? 696
14.5. Entalpia swobodna 698
Ramka 14.5. Entalpia swobodna: równowaga między zmianą entalpii i zmianą entropii 700
Ramka 14.6. Termodynamika polimeryzacji 702
Ramka 14.7. Otrzymywanie krzemu do wytwarzania krzemowych układów scalonych 705
Ramka 14.8. Energetyka reakcji biochemicznych 706
Ramka 14.9. Ile pracy można uzyskać z glukozy? 708
14.6. Zmiany entalpii swobodnej w zależności od warunków 709
Ramka 14.10. Otrzymywanie metali z rud 711
Powtórzenie zagadnień 713
Podstawowe równania 713
Zadania 714
15. Równowaga chemiczna 717
Równowaga w oceanach 718
15.1. Entalpia swobodna i równowaga 720
Ramka 15.1. Równowaga rozpuszczalności 724
15.2. Kierunek reakcji chemicznej: iloraz reakcji 725
Ramka 15.2. Równowaga w wodzie gazowanej 727
15.3. Entalpia swobodna a stała równowagi 728
Ramka 15.3. Wyprowadzenie zależności między ∆ r Gꝋ i K 729
Ramka 15.4. Smugi za samolotem odrzutowym 730
15.4. Obliczanie składu mieszaniny reakcyjnej w stanie równowagi 733
Ramka 15.5. Kreda, wapno i woda mineralna jako przykład równowagi heterogenicznej 736
15.5. Wpływ warunków reakcji na wydajność i stałą K 736
15.6. Termodynamika trzeba to rozważać całościowo 742
Ramka 15.6. Termodynamika reakcji: proces Habera 743
Powtórzenie zagadnień 744
Podstawowe równania 744 Zadania 744
16. Elektrochemia 749
Przenośne źródła energii elektrycznej 750 16.1. Czym jest elektrochemia? 751 16.2. Jony w roztworze 753
Ramka 16.1. Ultraczysta woda i przewodnictwo 756
16.3. Ogniwa elektrochemiczne 758
Ramka 16.2. Ogniwa elektrochemiczne jako przenośne źródła energii 760
Ramka 16.3. Pomiar wartości E ꝋ w praktyce 768
16.4. Termodynamika ogniwa elektrochemicznego 769
Ramka 16.4. Korozja jako proces elektrochemiczny 774
Ramka 16.5. Bioelektrochemia: komórki nerwowe i kanały jonowe 777
16.5. Elektroliza 779
Ramka 16.6. Elektroliza i akumulatory 782
Powtórzenie zagadnień 784
Podstawowe równania 785
Zadania 785
17. Równowagi fazowe i roztwory 787 Płyny nadkrytyczne 788
17.1. Zjawiska fazowe dotyczące pojedynczych składników 789
Ramka 17.1. Ciekłe kryształy 796
17.2. Ilościowy opis przejść (przemian) fazowych 798
Ramka 17.2. Wyprowadzenia równania Clapeyrona 801
Ramka 17.3. Wyprowadzenie równania Clausiusa–Clapeyrona 803
17.3. Oddziaływania międzycząsteczkowe 807
17.4. Zjawiska fazowe w układach dwuskładnikowych 812
Ramka 17.4. Perfluorowęglowodory i zamienniki krwi 823
Ramka 17.5. Odwrócona osmoza i uzdatnianie wody 827
Powtórzenie zagadnień 832
Podstawowe równania 833
Zadania 833
18. Izomeria i stereochemia 837
Gorzkie izomery w piwie 838
18.1. Izomeria 839
18.2. Izomery konformacyjne 842
Ramka 18.1. Dla uzyskania maksimum aktywności 846
Ramka 18.2. Rysowanie pierścienia cykloheksanu 853
Ramka 18.3. Kształt cholesterolu i jego rola w organizmie człowieka 854
18.3. Izomery konfiguracyjne: izomery E i Z 858
Ramka 18.4. Selekcja naturalna: biosynteza kwasów tłuszczowych 861
18.4. Izomery konfiguracyjne: izomery z centrami chiralności 863
Ramka 18.5. Niektóre kamienie milowe dotyczące chiralności 865
Ramka 18.6. Nomenklatura d i l 868
Ramka 18.7. Talidomid – od złoczyńcy do bohatera 874
Ramka 18.8. Wykorzystanie diastereoizomerów do rozdziału mieszaniny enancjomerów 877
Powtórzenie zagadnień 885
Zadania 885
19. Mechanizmy reakcji organicznych 887
Antidotum na neurotoksyny 888
Ramka 19.1. Jak rodziła się wiedza o mechanizmach reakcji 890
19.1. Podstawowe pojęcia dotyczące mechanizmów reakcji organicznych 891
Ramka 19.2. Naturalne reakcje kaskadowe 892
Ramka 19.3. Superkwasy i karbokationy 896
Ramka 19.4. Środki przeciwnowotworowe 914
19.2. Klasyfikacja mechanizmów reakcji organicznych 919
Ramka 19.5. Naturalne kwasy i zasady 926
Ramka 19.6. Naturalna kataliza kwasowo-zasadowa 929
Ramka 19.7. Aspiryna 932
Ramka 19.8. Superklej i odciski palca 936
19.3. Selektywność reakcji 941
Powtórzenie zagadnień 946
Zadania 947
Skorowidz S-1
» Sygnały rezonansowe między 6,5 a 8,0 ppm są charakterystyczne dla związków zawierających pierścień benzenowy. Wpływ elektronowy podstawników przyłączonych do pierścienia benzenu omówiono w rozdziale 22.3.
które zwiększa natężenie pola magnetycznego oddziałującego na sześć atomów wodoru znajdujących się na zewnątrz pierścienia. Ponieważ atomy wodoru znajdują się pod wpływem większego pola magnetycznego, to aby osiągnąć stan rezonansu, potrzebne jest promieniowanie radiowe o względnie wysokiej energii, to powoduje, że obserwuje się pojedynczy sygnał rezonansowy w niskim polu przy 7,4 ppm (sprawdź, czy na pewno rozumiesz, dlaczego wszystkie sześć atomów wodoru jest równocenne).
Indukowane lokalne pole magnetyczne w benzenie
Prąd pierścieniowy krążących elektronów π
Niewielkie indukowane pole magnetyczne
Dla każdego atomu wodoru indukowane pole magnetyczne ma ten sam zwrot jak przyłożone pole magnetyczne
HH Atomy wodoru są pod wpływem większego lokalnego pola magnetycznego, są odsłaniane i dają sygnał przy 7,4 ppm
Przyłożone pole magnetyczne
Indukowane lokalne pole magnetyczne odpowiada również za duże przesunięcia chemiczne atomów wodoru przyłączonych do wiązań podwójnych C=C i C=O.
Indukowane lokalne pole magnetyczne w etenie
Indukowane lokalne pole magnetyczne w metanalu
CC HH CO H
Wyciąganie elektronów przez elektroujemny atom tlenu wpływa na odsłanianie atomów wodoru Atomy wodoru dają sygnał przy 5,25 ppm
Atomy wodoru dają sygnał przy 9,6 ppm
Sygnały atomów wodoru przyłączonych do pierścienia w podstawionych benzenach, jak na przykład w chlorobenzenie (C6H5Cl), często się nakładają i tworzą skomplikowany szeroki sygnał.
87 Przesunięcie chemiczne, δ/ ppm 6
» Przypisanie konfiguracji Z do alkenów omówiono w rozdziale 18.3.
W EU użycie metanalu (formaldehydu) jest ograniczone z powodu obaw o jego toksyczność. Za pomocą spektroskopii 1H NMR można określić poziom zawartości metanalu w produktach do użytku domowego, np. w płynach do prostowania włosów na bazie wody. W wodzie w temperaturze pokojowej i przy obojętnym pH sygnał przy 9,6 ppm dla H2C=O nie jest obserwowany, ponieważ ok. 99,9 % cząsteczek metanalu reaguje z wodą, tworząc hydrat H2C(OH)2 (rozdz. 23.2). Jednakże hydrat i metanal ulegają szybkim wzajemnym przekształceniom i w określonych warunkach przy prostowaniu włosów (ciepło z prostownicy do włosów czy suszarki do włosów) w sposób ciągły powstaje gazowy H2C=O. Zatem sygnał grupy CH2 hydratu przy 4,8 ppm może zostać użyty do pomiaru stężenia H2C=O.
Zdjęcie: Pera Detlic z Pixabay
W przypadku alkenu indukowane pole magnetyczne jest słabsze niż w przypadku benzenu, ponieważ krążą tylko 2 elektrony, a nie 6 elektronów jak w benzenie. Zatem atomy wodoru przyłączone do wiązania C=C z reguły dają sygnał o mniejszym przesunięciu chemicznym niż to obserwowane dla benzenu. W przypadku aldehydu w dodatku do lokalnego indukowanego pola magnetycznego powodowanego przez 2 elektrony π wiązania C=O atom wodoru O=C–H jest dodatkowo osłaniany przez wpływ wyciągającego elektrony elektroujemnego atomu tlenu. To powoduje, że atom wodoru przyłączony do wiązania C=O daje sygnał między 9 a 10 ppm.
Poniżej pokazano niektóre przykłady podstawionych benzenów i alkanów, razem z przybliżonymi wartościami przesunięć chemicznych. Jak można się spodziewać, grupy wyciągające elektrony Cl i NO2 przyłączone do pierścienia
Dwa atomy wodoru bliższe Cl mają trochę większe przesunięcie chemiczne
7,3 H
7,2 H
7,1 H chlorobenzen
(Zwróć uwagę, że wszystkie 3 sygnały mają podobne przesunięcie chemiczne)
GrupaNO2 jest bardziej elektronoakceptorowa niż CH3
2 H H 8,1 H
H 1-metylo-4-nitrobenzen 2,5 CH3
Cl jest bardziej elektronoakceptorowy niż CH3
5,4 H 1,6 H3C (Z)-1-chloroprop-1-en 5,9 H 1,7 H3C
(Z)-but-2-en
benzenowego lub wiązania C=C powodują odsłanianie najbliższych atomów wodoru. Można również zauważyć, że przesunięcie atomów wodoru przyłączonych bezpośrednio do albo pierścienia benzenowego, albo wiązania C=C jest o wiele większe niż to dla wodorów metylowych (CH3) przyłączonych do pierścienia benzenowego lub wiązania C=C.
Wiązanie wodorowe do atomu tlenu
W przypadku alkoholi (ROH) przesunięcie chemiczne sygnału rezonansowego atomu wodoru w grupie OH może się w znacznym stopniu zmieniać, na ogół od 2,5 do 4 ppm, w zależności od stężenia i rozpuszczalnika. Ten szeroki zakres wartości przesunięcia chemicznego można wyjaśnić przez międzycząsteczkowe wiązania wodorowe – grupa OH w alkoholu może tworzyć wiązania wodorowe z grupą OH innej cząsteczki alkoholu (dlatego przesunięcie chemiczne zależy od stężenia alkoholu) lub może tworzyć wiązanie wodorowe z polarną cząsteczką rozpuszczalnika (dlatego przesunięcie chemiczne zależy od typu rozpuszczalnika).
Wiązanie wodorowe wpływa na gęstość elektronową wokół atomu wodoru w grupie OH – im silniejsze wiązanie wodorowe, tym mniejsza gęstość elektronowa wokół atomu wodoru (zobacz opis na marginesie). Skutkiem tego, atom wodoru, który tworzy silne wiązania wodorowe, jest odsłaniany i daje sygnał przy dość dużym przesunięciu chemicznym (aż do 4 ppm).
Międzycząsteczkowe wiązania wodorowe między grupami OH zmniejsza się po dodaniu niepolarnego rozpuszczalnika i w takich warunkach grupa OH dałaby sygnał przy względnie niewielkim przesunięciu chemicznym (2,0 ppm).
W przypadku kwasów karboksylowych (RCOOH) atom wodoru w grupie COOH tworzy sygnał rezonansowy między 10,0 a 13,0 ppm, którego pozycja zależy od stężenia i rozpuszczalnika – im więcej możliwości tworzenia wiązań wodorowych, tym większe przesunięcie chemiczne.
W przykładzie 12.4 przedstawiono, jak wykorzystać przesunięcia chemiczne sygnałów w widmie 1H NMR do określenia struktury cząsteczki.
Międzycząsteczkowe wiązanie wodorowe δ+ δ−
R O H H O R
δ− Atom tlenu wyciąga gęstość elektronową od atomu wodoru
W widmie 1H NMR etanolu (CH3CH2OH) pokazanym na rysunku 12.16 (str. 612) sygnał powodowany przez grupę OH pojawia się przy ok. 2,5 ppm.
» Wpływ wiązań wodorowych na widmo IR alkoholi omówiono w rozdziale 12.2.
Izomery konstytucyjne (strukturalne) są związkami, w których atomy są połączone w innym porządku.
Związki organiczne są powszechnie przedstawiane wzorami szkieletowymi, w których pomija się atomy wodoru przyłączone do atomów węgla (rozdz. 2.2).
Z drugiej strony, jeśli poziomy energii są od siebie oddalone, tak że ΔE jest duże (ΔE jest znacznie większe niż kBT ), stosunek populacji staje się teraz bliski zeru i bardzo niewiele cząsteczek znajduje się w wyższym stanie energetycznym. Zilustrowano to w przykładzie 10.2. Z równania 10.9 wynika również, że populacja wyższych poziomów wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.
rys. 10.10. Populacja górnego poziomu energetycznego zależy od różnicy energii między górnym i dolnym poziomem. (W tym przypadku górny i dolny poziom mają tę samą degenerację 1)
Oblicz względne populacje w temperaturze 298 K między dwoma poziomami energii, każdy o degeneracji wynoszącej jeden, rozdzielonymi przez: (a) 200 kJ mol–1; (b) 5000 J mol–1; oraz (c) 1,00 J mol–1
Sposób rozwiązywania
Można bezpośrednio skorzystać z rozkładu Boltzmanna (równanie 10.9), ponieważ podane są degeneracje i różnica energii między dwoma poziomami. Trzeba przeliczyć wartości różnic energii z energii na mol na energię na cząsteczkę.
Rozwiązanie
Użyj równania 10.9, aby znaleźć względne populacje.
n n g g E kT B wyższy niższy wyższy niższy e (10.9)
(a) Różnica energii 200 kJ mol –1 = 200 000 J mol–1. Podziel przez NA (gdzie NA = 6,022 × 1023 mol−1), aby przeliczyć na energię na cząsteczkę i wstaw gwyższy i gniższy, każde z nich równe 1.
n n wyższy niższy e 1 1
84410 JK K , , nwyższy 36 nniższy
200000 602210 138 11 23 Jmol mol /, , 1 110298 36 23 1 84410
W rzeczywistości wszystkie cząsteczki znajdują się w niższym stanie energetycznym, a prawie żadna z nich nie znajduje się w wyższym stanie energetycznym.
(Różnica energii 200 kJ ∙ mol–1 odpowiada przejściu w spektroskopii elektronowej (rozdz. 10.6). Promieniowanie tej energii jest światłem widzialnym (żółto-pomarańczowym), λ = 598 nm).
dla
energii 5 000 J ∙ mol −1 nn n n e wyższy niższy
Jmol mol 1 1 5000 60221023 1 381 11 /, , 1 10298 23 1 013
013 JK K
wyższy niższy , ,
Tutaj większość cząsteczek znajduje się w niższym stanie energetycznym, ale mierzalna część znajduje się w stanie wyższym. (Różnica energii 5000 J mol–1 odpowiada przejściom w spektroskopii oscylacyjnej (rozdz. 10.5). Promieniowanie tej energii występuje w podczerwonej części widma elektromagnetycznego, λ = 2,39 × 10–5 m).
(c) Stosując tę samą metodę dla różnicy energii 1,00 J mol–1 nn
n n wyższy niższy
Jmol mol e 1 1 1006 02210 1 381 11 23 ,/ , 1 10298 23 0 9995
0 9995 JK K wyższy niższy , , Wyższe i niższe stany energetyczne są mniej więcej jednakowo obsadzone (nwyższy ≈ nniższy).
(Różnica energii 1 J ∙ mol–1 odpowiada przejściom w technikach rezonansu spinowego (rozdz. 10.7). Promieniowanie tej energii odpowiada falom radiowym, λ = 0,12 m).
Spróbuj sam
Oblicz względne populacje dwóch poziomów energii, stanu niższego o degeneracji wynoszącej jeden i stanu wyższego o degeneracji wynoszącej dwa, oddzielonych od siebie o 5,0 kJ mol–1 w: (a) 200 K; (b) 300 K; (c) 500 K. Jaki jest wpływ temperatury na względną populację na obu poziomach?
W przypadku piku absorpcji populacja niższego poziomu energii w danym przejściu wpływa na intensywność piku. W przypadku piku emisji intensywność zależy od populacji górnego poziomu.
Reguły wyboru
Większość cząsteczek ma dużą liczbę poziomów energii. W zasadzie możliwa jest zatem bardzo duża liczba przejść. Jednakże nie wszystkie możliwe przejścia powodują absorpcję (lub emisję) w widmach. Mogą mieć miejsce jedynie przejścia między określonymi poziomami energii; są to przejścia dozwolone. Inne są zabronione –prawdopodobieństwo przejścia jest bardzo małe i prawie nie zachodzi absorpcja ani emisja energii, więc intensywność piku absorpcji lub emisji jest bliska zeru.
Każdy rodzaj spektroskopii ma reguły wyboru, określające, które przejścia są dozwolone. Reguły wyboru mówią, jakie właściwości cząsteczki są potrzebne, aby pochłonęła promieniowanie; szczegółowe zasady wyboru określają, między którymi poziomami dozwolone są przejścia. Zasady wyboru dla każdego rodzaju spektroskopii poznasz w kolejnych rozdziałach.
» Funkcje falowe i symetrię przedstawiono w rozdziale 3.5.
Dobrą ilustracją skutków kwantowania i liczby poziomów energetycznych są lasery, takie jak ten pokazany na rysunku 1. Lasery istnieją tylko dlatego, że energia molekularna rozdziela się na dyskretne poziomy energii.
Rys. 1. Ten laser spektroskopowy (czerwona wiązka) jest używany do badania półprzewodników stosowanych w ogniwach słonecznych
Laser oznacza wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania (pierwsze litery nazwy w języku angielskim). Światło laserowe ma kilka przydatnych właściwości. Jest monochromatyczne (wszystkie fotony mają tę samą energię)
i spójne (wszystkie fotony są w tej samej fazie). Światło emitowane jest wąską wiązką, która nie rozchodzi się we wszystkich kierunkach. Emisja może być bardzo intensywna i może mieć również formę bardzo krótkich (<1 × 10–14 s) impulsów. Zastosowania w chemii obejmują spektroskopię i fotochemię, które wykorzystują precyzyjną energię i krótkotrwałe impulsy (rozdz. 9.4). Inne zastosowania to optyczne urządzenia pamięci masowej, takie jak odtwarzacze CD lub DVD (ramka 6.3, str. 294), przy cięciu metali i tworzyw sztucznych, w czytnikach kodów kreskowych, wskaźnikach laserowych i niektórych formach chirurgii.
Kiedy atom lub cząsteczka zaabsorbuje foton o właściwej energii, elektron może zostać wypromowany na wyższy poziom energii, tak że atom lub cząsteczka znajdzie się w stanie wzbudzonym. Po pewnym czasie powróci ona do stanu podstawowego i może wyemitować foton, co jest procesem nazywanym emisją spontaniczną. Jednakże stan wzbudzony można pobudzić do emisji, gdy inny foton oddziałuje z cząsteczką, jeśli oddziałujący foton ma taką samą energię jak przejście do stanu niższego. Prowadzi to do wzrostu liczby fotonów o tej energii, a co za tym idzie do wzmocnienia natężenia światła. Wszystkie fotony pochodzące z emisji wymuszonej mają tę samą energię i są w tej samej fazie. Prawdopodobieństwo emisji wymuszonej wzrasta wraz ze wzrostem liczby fotonów.
Substancja wytwarzająca światło (zwana ośrodkiem czynnym) znajduje się we rezonatorze ograniczonym lustrami (rys. 2), dzięki czemu wyemitowane fotony odbijają się z powrotem przez materiał, gdzie mogą stymulować dalszą emisję.
Aby utrzymać emisję wymuszoną, w stanie wzbudzonym musi znajdować się więcej cząsteczek niż w stanie o niższej energii – nazywa się to inwersją obsadzeń (populacji). Zwykle tylko bardzo mała część cząsteczek znajduje się w stanie N