Атомный электронный переход

Переход электрона между энергетическими уровнями внутри атома

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

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

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

История

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

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

Теория

Атом взаимодействует с осциллирующим электрическим полем:

с амплитудой , угловой частотой и вектором поляризации . ^[7] Обратите внимание, что фактическая фаза равна . Однако во многих случаях изменение по атому невелико (или, что то же самое, длина волны излучения намного превышает размер атома), и этим членом можно пренебречь. Это называется дипольным приближением. Атом также может взаимодействовать с осциллирующим магнитным полем, создаваемым излучением, хотя и гораздо слабее. ${\displaystyle |{\textbf {E}}_{0}|}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle {\hat {\textbf {e}}}_{rad}}$ ${\displaystyle (\omega t-{\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}})}$ ${\displaystyle {\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}}}$

Гамильтониан этого взаимодействия, аналогичный энергии классического диполя в электрическом поле, равен . Скорость стимулированного перехода можно рассчитать с помощью теории возмущений, зависящей от времени ; однако результат можно суммировать, используя золотое правило Ферми : ${\displaystyle H_{I}=e{\textbf {r}}\cdot {\textbf {E}}(t)}$

$${\displaystyle Rate\propto |eE_{0}|^{2}\times |\langle 2|{\textbf {r}}\cdot {\hat {\textbf {e}}}_{rad}|1\rangle |^{2}}$$

правила отбора

Недавние открытия

В 2019 году в эксперименте со сверхпроводящим искусственным атомом , состоящим из двух сильногибридизированных трансмон-кубитов, помещенных внутри полости считывающего резонатора при температуре 15 мК , было показано , что эволюция некоторых скачков является непрерывной, когерентной, детерминированной и обратимой. ^[8] С другой стороны, другие квантовые скачки по своей сути непредсказуемы. ^[9]

Смотрите также

• Взрывной шум
• Ансамблевая интерпретация
• флуоресценция
• Демонстрация светящихся огурцов
• Молекулярный электронный переход для молекул
• фосфоресценция
• Квантовый скачок
• Спонтанное излучение
• Вынужденное излучение

Рекомендации

1. Шомберт, Джеймс. «Квантовая физика» Физический факультет Университета Орегона
2. Виджай, Р; Слихтер, Д.Х; Сиддики, я (2011). «Наблюдение квантовых скачков в сверхпроводящем искусственном атоме». Письма о физических отзывах . 106 (11): 110502. arXiv : 1009.2969 . Бибкод : 2011PhRvL.106k0502V. doi : 10.1103/PhysRevLett.106.110502. PMID  21469850. S2CID  35070320.
3. 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 . doi :10.1016/j.physleta.2020.126880. ISSN  0375-9601.
4. Итано, WM; Бергквист, JC; Вайнленд, диджей (2015). «Ранние наблюдения макроскопических квантовых скачков в одиночных атомах» (PDF) . Международный журнал масс-спектрометрии . 377 : 403. Бибкод : 2015IJMSp.377..403I. doi :10.1016/j.ijms.2014.07.005.
5. Глейк, Джеймс (21 октября 1986 г.). «ФИЗИКИ НАКОНЕЦ УВИДЕЛИ КВАНТОВЫЙ Прыжок СОБСТВЕННЫМИ ГЛАЗАМИ». Нью-Йорк Таймс . ISSN  0362-4331 . Проверено 6 декабря 2021 г.
6. "Эксперимент Франка-Герца | физика | Британника" . www.britanica.com . Проверено 6 декабря 2021 г.
7. Фут, CJ (2004). Атомная физика . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850696-6.
8. 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 прыжок 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.
9. Снижко, Кирилл; Кумар, Парвин; Ромито, Алессандро (29 сентября 2020 г.). «Квантовый эффект Зенона проявляется поэтапно». Обзор физических исследований . 2 (3): 033512. arXiv : 2003.10476 . Бибкод : 2020PhRvR...2c3512S. doi : 10.1103/PhysRevResearch.2.033512. S2CID  214623209.

Внешние ссылки

• Шрёдингер, Эрвин (август 1952 г.). «Существуют ли квантовые скачки? Часть I» (PDF) . Британский журнал философии науки . 3 (10): 109–123. дои : 10.1093/bjps/iii.10.109. Часть 2
• «Нет ни квантовых скачков, ни частиц!» Х.Д. Зех, Physics Letters A172 , 189 (1993).
• Болл, Филип (5 июня 2019 г.). «Квантовые скачки, которые долгое время считались мгновенными, требуют времени». Журнал Кванта . Проверено 6 июня 2019 г.
• «Поверхностный плазмон на границе раздела металл-диэлектрик с переходным слоем эпсилон-околонулевой» Кевина Роккаприоре и др., Physical Review B 103 , L161404 (2021).