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 Ek на більш низький Ei система віддає енергію Ek – Ei, при зворотному переході – отримує її. Квантові переходи можуть бути випромінювальними і безвипромінювальних. При випромінювальних квантових переходах система випускає (перехід Ek – Ei) або поглинає (перехід Ei – Ek) квант електромагнітного випромінювання – фотон – енергії hn (n – частота випромінювання, h – Планка постійна), що задовольняє фундаментальному співвідношенню

Ek – Ei = 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 квантової системі за одиницю часу (1 сек), тому вона може приймати будь-які значення від 0 до безкінечності (на відміну від ймовірності 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 випускання можливе, квантова система знаходиться на збудженому рівні енергії Ek деякий кінцевий час, а потім стрибкоподібно переходить на який-небудь більш низький рівень. Середня тривалість tk перебування системи на збудженому рівні Ek називається часом життя на рівні. Чим менше tk, тим більше вірогідність переходу системи в стан з нижчою енергією. Величина Ak = 1/tk, визначальна середнє число фотонів, що випускаються однією часткою (атомом, молекулою) в 1 сек (tk виражається в сек), називається ймовірністю спонтанного випускання з рівня Ek. Для найпростішого випадку спонтанного переходу з першого збудженого рівня E2 на основний рівень E1 величина A2 = 1/t2 визначає ймовірність цього переходу; її можна позначити A21. З більш високих збуджених рівнів можливі квантові переходи на різні нижні рівні. Повне число Ak фотонів, що випускаються в середньому однією часткою з енергією Ek за 1 сек, дорівнює сумі чисел Aki фотонів, що випускаються при окремих переходах, тобто повна вірогідність Ak спонтанного випускання з рівня Ek дорівнює сумі ймовірностей Aki окремих спонтанних переходів Ek – Ei , величина Aki називається коефіцієнтом Ейнштейна для спонтанного випускання при такому переході. Для атома водню Aki одно (107 – 108) сек-1.

Для вимушених квантових переходів число переходів пропорційне щільності rn випромінювання частоти n = (Ek – Ei) / h, тобто енергії фотонів частоти n, що знаходяться в 1 см3. Ймовірності поглинання і вимушеного випускання характеризуються відповідно коефіцієнтами Ейнштейна Bik і Bki, рівними числам фотонів, що поглинаються і відповідно вимушено випускаються в середньому однією часткою за 1 сек при щільності випромінювання, рівній одиниці. Твори Bikrn і Bkirn визначають ймовірності вимушеного поглинання і випускання під дією зовнішнього електромагнітного випромінювання щільності rn і, так само як Aki, виражаються в сек-1.

Ймовірності випромінювальних переходів різні для різних квантових переходів і залежать від властивостей рівнів енергії Ei та Ek, 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 Ei та Ek із заданими характеристиками визначається правилами відбору.

Безвипромінювальних квантові переходи також характеризуються ймовірностями відповідних переходів Cki і Cik, – середніми числами процесів віддачі і отримання енергії Ek – Ei в 1 сек, розрахованими на одну частку з енергією Ek (для процесу віддачі енергії) або енергією Ei (для процесу одержання енергії). Якщо можливі як випромінювальні, так і безвипромінювальних 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 при відсутності безвипромінювальних 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.Словники. Велика радянська енциклопедія – Квантові переходи.

Хімік.ру – Квантові переходи.


Category: Наука та освіта

Comments (Прокоментуй!)

There are no comments yet. Why not be the first to speak your mind.

Leave a Reply