Квантовые переходы

скачкообразные переходы квантовой системы (атома, молекулы, атомного ядра, твёрдого тела) из одного состояния в другое. Наиболее важными являются К. П. Между стационарными состояниями (См. Стационарное состояние), соответствующими различной энергии квантовой системы, — К. П. Системы с одного уровня энергии (См. Уровни энергии) на другой. При переходе с более высокого уровня энергии Ek на более низкий Ei система отдаёт энергию Ek — Ei, при обратном переходе — получает её (рис.). К. П. Могут быть излучательными и безызлучательными. При излучательных К. П. Система испускает (переход Ek → Ei) или поглощает (переход Ei → Ek) квант электромагнитного излучения — Фотон — энергии hν (ν — частота излучения, h — Планка постоянная), удовлетворяющей фундаментальному соотношению Ek - Ei = hν, (1) (которое представляет собой закон сохранения энергии при таком переходе).

В зависимости от разности энергий состояний системы, между которыми происходит К. П., испускаются или поглощаются фотоны радиоизлучения, инфракрасного, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского излучения, γ-излучения. Совокупность излучательных К. П. С нижних уровней энергии на верхние образует спектр поглощения данной квантовой системы, совокупность обратных переходов — её спектр испускания (см. Спектры оптические). При безызлучательных К. П. Система получает или отдаёт энергию при взаимодействии с др. Системами. Например, атомы или молекулы газа при столкновениях друг с другом или с электронами могут получать энергию (возбуждаться) или терять её. Важнейшей характеристикой любого К. П. Является вероятность перехода, определяющая, как часто происходит данный К.

П. 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). Вероятности переходов рассчитываются методами квантовой механики. Ниже будут рассмотрены К. П. В атомах и молекулах (о К. П. В твёрдом теле (См. Твёрдое тело), ядре атомном (См. Ядро атомное) см. В этих статьях). Излучательные квантовые переходы могут быть спонтанными («самопроизвольными»), не зависящими от внешних воздействий на квантовую систему (спонтанное испускание фотона), и вынужденными, индуцированными — под действием внешнего электромагнитного излучения резонансной [удовлетворяющей соотношению (1)] частоты ν (поглощение и вынужденное испускание фотона).

Поскольку спонтанное испускание возможно, квантовая система находится на возбуждённом уровне энергии Ek некоторое конечное время, а затем скачкообразно переходит на какой-нибудь более низкий уровень. Средняя продолжительность τk пребывания системы на возбуждённом уровне Ek называется временем жизни на уровне. Чем меньше τk, тем больше вероятность перехода системы в состояние с низшей энергией. Величина Ak = 1/τk, определяющая среднее число фотонов, испускаемых одной частицей (атомом, молекулой) в 1 сек (τk выражается в сек), называется вероятностью спонтанного испускания с уровня Ek. Для простейшего случая спонтанного перехода с первого возбуждённого уровня E2 на основной уровень E1 величина A2 = 1/τ2 определяет вероятность этого перехода.

Её можно обозначить A21. С более высоких возбуждённых уровней возможны К. П. На различные нижние уровни (рис.). Полное число Ak фотонов, испускаемых в среднем одной частицей с энергией Ek за 1 сек, равно сумме чисел Aki фотонов, испускаемых при отдельных переходах. .