20 Квантовые переходы

Квантовые переходы – скачкообразные переходы квантовой системы (атома, молекулы, атомного ядра, твердого тела) из одного состояния в другое.

Наиболее важными являются квантовые переходы между стационарными состояниями, соответствующими различной энергии квантовой системы, - квантовые переходы системы с одного уровня энергии на другой. При переходе с более высокого уровня энергии Е_К на более низкий Е_I система отдает энергию , при обратном переходе – получает ее. На рис.7 изображена часть уровней квантовой системы: Е₁ – основной уровень (уровень с наименьшей возможной энергией), Е₂, Е₃, Е₄ – возбужденные уровни. Стрелками показаны квантовые переходы с поглощением (направление вверх) и с отдачей энергии (направление вниз).

Квантовые переходы могут быть излучательными и безызлучательными.

При излучательных квантовых переходах система испускает (переход ) или поглощает (переход ) квант электромагнитного излучения – фотон энергии , удовлетворяющий фундаментальному соотношению

, (32)

которое представляет собой закон сохранения энергии при таком переходе. В зависимости от разности энергий состояний системы, между которыми происходит квантовый переход, испускаются или поглощаются фотоны радиоизлучения, ИК, видимого, УФ, рентгеновского излучения, - излучения. Сово­купность излучательных квантовых переходов с нижних уровней энергии на верхние образует спектр поглощения данной квантовой системы, совокупность обратных переходов – ее спектр испускания.

При безызлучательных квантовых переходах система получает или отдает энергию при взаимодействии с другими системами. Например, атомы или молекулы газа при столкновениях друг с другом или с электронами могут получать энергию (возбуждаться) или терять ее.

21 Вероятность перехода

Важнейшей характеристикой любого квантового перехода является вероятность перехода, определяющая, как часто происходит данный квантовый переход. Вероятность перехода измеряют числом переходов данного типа в рассматриваемой квантовой системе за единицу времени (1 сек); поэтому она может принимать любые значения от 0 до ∞ (в отличие от вероятности единичного события, которая не может превышать 1).

22 Спонтанные квантовые переходы

Излучательные квантовые переходы могут быть вынужденными и спонтанными («самопроизвольными»), не зависящими от внешних воздействий на квантовую систему (спонтанное испускание фотона),

Поскольку спонтанное испускание возможно, квантовая система находится на возбужденном уровне энергии некоторое конечное время, а затем скачкообразнопереходит на какой-нибудь более низкий уровень. Средняя продолжительность пребывания системы на возбужденном уровне назы­вается временем жизни на уровне. Чем меньше , тем больше вероятность перехода системы в состояние с низшей энергией. Величина

, (33)

определяющая среднее число фотонов, испускаемых одной частицей (атомом, молекулой) в 1 секунду называется вероятностью спонтанного испускания с уровня . Для простейшего случая спонтанного перехода с первого возбужденного уровня Е₂ на основной уровень Е₁ величина определяет вероятность этого перехода; ее можно обозначить А₂₁. С более высоких возбужденных уровней возможны квантовые переходы на различные нижние уровни (рис.7). Полное число А_К фотонов, испускаемых в среднем одной частицей с энергией за 1 секунду, равно сумме чисел А_КI фотонов, испускаемых при отдельных переходах:

, (34)

т.е. полная вероятность А_К спонтанного испускания с уровня равна сумме вероятностей А_КI отдельных спонтанных переходов ; величина А_КI называется коэффициентом Эйнштейна для спонтанного испускания при таком переходе. Для атома водорода .