Що таке квантовий перехід?

Квантові переходи - стрибкоподібні переходи квантової системи (атома, молекули, атомного ядра, твердого тіла) з одного стану в інший. Найбільш важливими є квантові переходи між стаціонарними станами, відповідними різній енергії квантової системи - переходи системи з одного рівня енергії на інший. При переході з більш високого рівня енергії E_k на більш низький E_i система віддає енергію E_k - E_i, при зворотному переході - отримує її. Квантові переходи можуть бути випромінювальними і безвипромінювальної. При випромінювальних квантових переходах система випускає (перехід E_k - E_i) Або поглинає (перехід E_i - E_k) Квант електромагнітного випромінювання - фотон - енергії hn (n - частота випромінювання, h - Планка постійна), що задовольняє фундаментальному співвідношенню

E_k - E_i = Hn,

яке являє собою закон збереження енергії при такому переході.

Залежно від різниці енергій станів системи, між якими відбувається квантовий перехід, испускаются або поглинаються фотони радіовипромінювання, інфрачервоного, видимого, ультрафіолетового, рентгенівського випромінювання, g-випромінювання. Сукупність випромінювальних квантових переходів з нижніх рівнів енергії на верхні утворює спектр поглинання даної квантової системи, сукупність зворотних переходів - її спектр випускання.

При безвипромінювальних квантових переходах система отримує або віддає енергію при взаємодії з ін. Системами. Наприклад, атоми або молекули газу при зіткненнях один з одним або з електронами можуть отримувати енергію (збуджуватися) або втрачати її.

Найважливішою характеристикою будь-якого квантового переходу є ймовірність переходу, що визначає, як часто відбувається даний квантовий перехід. Імовірність переходу вимірюють числом переходів даного типу в розглянутій квантовій системі за одиницю часу (1 сек), тому вона може приймати будь-які значення від 0 до безкінечності (на відміну від імовірності одиничного події, яка не може перевищувати 1). Ймовірності переходів розраховуються методами квантової механіки.

Випромінювальні квантові переходи можуть бути спонтанними ("мимовільними"), не залежними від зовнішніх впливів на квантову систему (спонтанне випускання фотона), і вимушеними, індукованими - під дією зовнішнього електромагнітного випромінювання резонансної частоти n (поглинання і вимушене випускання фотона). Оскільки спонтанне випущення можливо, квантова система знаходиться на збудженому рівні енергії E_k деякий кінцевий час, а потім стрибкоподібно переходить на який-небудь більш низький рівень. Середня тривалість t_k перебування системи на збудженому рівні E_k називається часом життя на рівні. Чим менше t_k, тим більше вірогідність переходу системи в стан з нижчою енергією. Величина A_k = 1 / t_k, визначальна середнє число фотонів, що випускаються однією часткою (атомом, молекулою) в 1 сек (t_k виражається в сек), називається ймовірністю спонтанного випускання з рівня E_k. Для найпростішого випадку спонтанного переходу з першого збудженого рівня E₂ на основний рівень E₁ величина A₂ = 1 / t₂ визначає ймовірність цього перехода- її можна позначити A₂₁. З більш високих збуджених рівнів можливі квантові переходи на різні нижні рівні. Повне число A_k фотонів, що випускаються в середньому однією часткою з енергією E_k за 1 сек, дорівнює сумі чисел A_ki фотонів, що випускаються при окремих переходах, т. е. повна ймовірність A_k спонтанного випускання з рівня E_k дорівнює сумі ймовірностей A_ki окремих спонтанних переходів E_k - E_i, величина A_ki називається коефіцієнтом Ейнштейна для спонтанного випускання при такому переході. Для атома водню A_ki одно (10⁷- 10⁸) Сек^-1.

Для вимушених квантових переходів число переходів пропорційно щільності rn випромінювання частоти n = (E_k - E_i) / H, т. Е. Енергії фотонів частоти n, що знаходяться в 1 см³. Ймовірності поглинання і вимушеного випускання характеризується відповідно коефіцієнтами Ейнштейна B_ik і B_ki, рівними числам фотонів, що поглинаються і відповідно вимушено випускаються в середньому однією часткою за 1 сек при щільності випромінювання, що дорівнює одиниці. Твори B_ikr_n і B_kir_n визначають ймовірності вимушеного поглинання і випускання під дією зовнішнього електромагнітного випромінювання щільності rn і, так само як A_ki, виражаються в сек^-1.

Ймовірності випромінювальних переходів різні для різних квантових переходів і залежать від властивостей рівнів енергії E_i і E_k, між якими відбувається перехід. Ймовірності квантових переходів тим більше, чим сильніше змінюються при переході електричні і магнітні властивості квантової системи, що характеризуються її електричними і магнітними моментами. Можливість випромінювальних квантових переходів між рівнями E_i і E_k із заданими характеристиками визначається правилами відбору.

Безвипромінювальні квантові переходи також характеризуються вірогідністю відповідних переходів C_ki і C_ik, - середніми числами процесів віддачі і отримання енергії E_k - E_i в 1 сек, розрахованими на одну частку з енергією E_k (Для процесу віддачі енергії) або енергією E_i (Для процесу отримання енергії). Якщо можливі як випромінювальні, так і безвипромінювальної квантові переходи, то повна вірогідність переходу дорівнює сумі вірогідності переходів обох типів. Облік безвипромінювальних квантових переходів відіграє істотну роль, коли його вірогідність того ж порядку або більше відповідного квантового переходу з випромінюванням. Наприклад, якщо з першого збудженого рівня E₂ можливий спонтанний випромінювальний перехід на основний рівень E₁ з імовірністю A₂₁ і безвипромінювальний перехід на той же рівень з вірогідністю C₂₁, то повна вірогідність переходу дорівнює A₂₁ + C₂₁, а час життя на рівні одно t '₂ = 1 / (A₂₁ + C₂₁) Замість t₂ = 1 / A₂ за відсутності безвипромінювального переходу. Таким чином, за рахунок безвипромінювальних квантових переходів час життя на рівні зменшується. При A₂₁>> C₂₁ час t '₂ дуже мало в порівнянні з t₂, і переважна більшість частинок буде втрачати енергію збудження E₂ - E₁ при безвипромінювальних процесах - відбуватиметься гасіння спонтанного випускання.

Яндекс.Словари. Велика радянська енциклопедія - Квантові переходи.

Хімік.ру - Квантові переходи.