Атомный электронный переход

Электрон в атоме модели Бора , движущийся с квантового уровня $n = 3$ на $n = 2$ и испускающий фотон . Энергия электрона определяется его орбитой вокруг атома. Орбита n = 0, обычно называемая основным состоянием , имеет самую низкую энергию из всех состояний в системе.

В атомной физике и химии атомный электронный переход (также называемый атомным переходом, квантовым скачком или квантовым скачком) — это переход электрона с одного энергетического уровня на другой внутри атома ^[1] или искусственного атома . ^[2] Масштаб времени квантового скачка экспериментально не измерен. Однако принцип Франка-Кондона связывает верхний предел этого параметра с порядком аттосекунд . ^[3]

Электроны, переходящие на энергетические уровни с меньшим n, испускают электромагнитное излучение в форме фотона. Электроны также могут поглощать проходящие фотоны, что приводит к квантовому скачку на уровень с большим n. Чем больше энергетическое разделение между начальным и конечным состоянием электрона, тем короче длина волны фотонов . ^[4]

История

Датский физик Нильс Бор в 1913 году впервые предположил, что электроны могут совершать квантовые скачки. ^[5] Вскоре после этого Джеймс Франк и Густав Людвиг Герц экспериментально доказали , что атомы имеют квантовые энергетические состояния. ^[6]

Наблюдаемость квантовых скачков была предсказана Гансом Демельтом в 1975 году, и они были впервые обнаружены с использованием захваченных ионов бария в Гамбургском университете и ртути в NIST в 1986 году. [ ^4]

Теория

Атом взаимодействует с колеблющимся электрическим полем:

с амплитудой , угловой частотой и вектором поляризации . ^[7] Обратите внимание, что фактическая фаза равна . Однако во многих случаях изменение мало по атому (или, что эквивалентно, длина волны излучения намного больше размера атома), и этот член можно игнорировать. Это называется дипольным приближением. Атом также может взаимодействовать с осциллирующим магнитным полем, создаваемым излучением, хотя и гораздо слабее. $|{\textbf {E}}_{0}|$ $\омега$ ${\hat {\textbf {e}}}_{\mathrm {rad} }$ $(\omega t-{\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}})$ ${\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}}$

Гамильтониан для этого взаимодействия, аналогичный энергии классического диполя в электрическом поле, равен . Скорость стимулированного перехода можно рассчитать с помощью зависящей от времени теории возмущений ; однако результат можно обобщить с помощью золотого правила Ферми : Матричный элемент диполя можно разложить на произведение радиального интеграла и углового интеграла. Угловой интеграл равен нулю, если не выполняются правила отбора для атомного перехода. $H_{I}=e{\textbf {r}}\cdot {\textbf {E}}(t)$ $Скорость\propto |eE_{0}|^{2}\times |\langle 2|{\textbf {r}}\cdot {\hat {\textbf {e}}}_{\mathrm {rad} }|1\rangle |^{2}$

Недавние открытия

В 2019 году в эксперименте со сверхпроводящим искусственным атомом, состоящим из двух сильно гибридизированных трансмоновых кубитов, помещенных внутрь считывающей резонаторной полости при 15 мК , было продемонстрировано, что эволюция некоторых скачков является непрерывной, когерентной, детерминированной и обратимой. ^[8] С другой стороны, другие квантовые скачки по своей природе непредсказуемы. ^[9]

Смотрите также

Ссылки

^ Шомберт, Джеймс. «Квантовая физика» Университет Орегона, физический факультет
^ Виджай, Р.; Слихтер, Д. Х.; Сиддики, И. (2011). «Наблюдение квантовых скачков в сверхпроводящем искусственном атоме». Physical Review Letters . 106 (11): 110502. arXiv : 1009.2969 . Bibcode : 2011PhRvL.106k0502V. doi : 10.1103/PhysRevLett.106.110502. PMID 21469850. S2CID 35070320.
^ де ла Пенья, Л.; Четто, AM; Вальдес-Эрнандес, А. (4 декабря 2020 г.). «Насколько быстр квантовый скачок?». Буквы по физике А. 384 (34): 126880. arXiv : 2009.02426 . Бибкод : 2020PhLA..38426880D. doi :10.1016/j.physleta.2020.126880. ISSN 0375-9601.
^ ab Itano, WM; Bergquist, JC; Wineland, DJ (2015). "Ранние наблюдения макроскопических квантовых скачков в отдельных атомах" (PDF) . International Journal of Mass Spectrometry . 377 : 403. Bibcode : 2015IJMSp.377..403I. doi : 10.1016/j.ijms.2014.07.005.
^ Глейк, Джеймс (21 октября 1986 г.). «ФИЗИКИ НАКОНЕЦ-ТО УВИДЕЛИ КВАНТОВЫЙ СКАЧОК СОБСТВЕННЫМИ ГЛАЗАМИ». The New York Times . ISSN 0362-4331 . Получено 6 декабря 2021 г. .
^ "Эксперимент Франка-Герца | физика | Britannica". www.britannica.com . Получено 6 декабря 2021 г. .
^ Фут, CJ (2004). Атомная физика . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850696-6.
^ Минев, ЗК; Мундхада, СО; Шанкар, С.; Рейнхольд, П.; Гутьеррес-Хареги, Р.; Шелькопф, Р.Дж.; Миррахими, М.; Кармайкл, HJ; Деворет, Миннесота (3 июня 2019 г.). «Чтобы поймать и обратить вспять квантовый скачок в полете». Природа . 570 (7760): 200–204. arXiv : 1803.00545 . Бибкод : 2019Natur.570..200M. дои : 10.1038/s41586-019-1287-z. PMID 31160725. S2CID 3739562.
^ Снежко, Кирилл; Кумар, Парвин; Ромито, Алессандро (29 сентября 2020 г.). «Квантовый эффект Зенона проявляется поэтапно». Physical Review Research . 2 (3): 033512. arXiv : 2003.10476 . Bibcode : 2020PhRvR...2c3512S. doi : 10.1103/PhysRevResearch.2.033512. S2CID 214623209.

Внешние ссылки

Найдите значение термина «квантовый скачок» в Викисловаре, бесплатном словаре.

Шредингер, Эрвин (август 1952 г.). «Существуют ли квантовые скачки? Часть I» (PDF) . Британский журнал философии науки . 3 (10): 109–123. doi :10.1093/bjps/iii.10.109. Часть 2
«Нет никаких квантовых скачков, и нет никаких частиц!» HD Zeh, Physics Letters A172 , 189 (1993).
Болл, Филип (5 июня 2019 г.). «Квантовые скачки, долгое время считавшиеся мгновенными, требуют времени». Журнал Quanta . Получено 6 июня 2019 г.
«Поверхностный плазмон на границе раздела металл-диэлектрик с переходным слоем эпсилон-близко к нулю» Кевина Роккаприоре и др., Physical Review B 103 , L161404 (2021).