Квантовые переходы - скачкообразные переходы квантовой системы (атома, молекулы, атомного ядра, твёрдого тела) из одного состояния в другое. Наиболее важными являются квантовые переходы между стационарными состояниями, соответствующими различной энергии квантовой системы — переходы системы с одного уровня 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 . Квантовые переходы могут быть излучательными и безызлучательными. При излучательных квантовых переходах система испускает (переход Ek - Ei)или поглощает (переход Ei - Ek) квант — фотон — энергии hn (n — частота излучения, h — Планка постоянная), удовлетворяющей фундаментальному соотношению
Ek - Ei = hn,
которое представляет собой закон сохранения энергии при таком переходе.
В зависимости от разности энергий состояний системы, между которыми происходит квантовый переход, испускаются или поглощаются фотоны радиоизлучения, инфракрасного, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского излучения, g-излучения. Совокупность излучательных квантовых переходов с нижних уровней энергии на верхние образует спектр поглощения данной квантовой системы, совокупность обратных переходов — её спектр испускания.
При безызлучательных квантовых переходах 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 квантового перехода является вероятность перехода, определяющая, как часто происходит данный квантовый переход. 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 бесконечности (в отличие от вероятности единичного события, которая не может превышать 1). Вероятности переходов рассчитываются методами квантовой механики.
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 частоты n (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 tk пребывания системы на возбуждённом уровне Ek называется временем жизни на уровне. Чем меньше tk, тем больше вероятность перехода системы в состояние с низшей энергией. Величина Ak = 1/tk, определяющая среднее число фотонов, испускаемых одной частицей (атомом, молекулой) в 1 сек (tk 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/t2 определяет вероятность этого перехода; её можно обозначить A21. С более высоких возбуждённых уровней возможны квантовые переходы на различные нижние уровни. Полное число Ak фотонов, испускаемых в среднем одной частицей с энергией Ek за 1 сек, равно сумме чисел Aki фотонов, испускаемых при отдельных переходах, т. е. полная вероятность Ak спонтанного испускания с уровня Ek равна сумме вероятностей Aki отдельных спонтанных переходов Ek - Ei, величина Aki называется коэффициентом Эйнштейна для спонтанного испускания при таком переходе. Для атома водорода Aki равно (107— 108) сек–1.
Для вынужденных квантовых переходов число переходов пропорционально плотности rn излучения частоты n = (Ek - Ei)/h, т. е. энергии фотонов частоты n, находящихся в 1 см3. Вероятности поглощения и вынужденного испускания характеризуются соответственно коэффициентами Эйнштейна Bik и Bki, равными числам фотонов, поглощаемых и соответственно вынужденно испускаемых в среднем одной частицей за 1 сек при плотности излучения, равной единице. Произведения Bikrn и Bkirn определяют вероятности вынужденного поглощения и испускания под действием внешнего электромагнитного излучения плотности rn и, так же как Aki, выражаются в сек–1.
Вероятности излучательных переходов различны для разных квантовых переходов и зависят от свойств уровней энергии Ei и Ek, между которыми происходит переход. Вероятности квантовых переходов тем больше, чем сильнее изменяются при переходе электрические и магнитные свойства квантовой системы, характеризуемые её электрическими и магнитными моментами. Возможность излучательных квантовых переходов между уровнями Ei и Ek с заданными характеристиками определяется правилами отбора.
Безызлучательные квантовые переходы также характеризуются вероятностями соответствующих переходов Cki и Cik, — средними числами процессов отдачи и получения энергии Ek — Ei в 1 сек, рассчитанными на одну частицу с энергией Ek (для процесса отдачи энергии) или энергией Ei (для процесса получения энергии). Если возможны как излучательные, так и безызлучательные квантовые переходы, то полная вероятность перехода равна сумме вероятностей переходов обоих типов. Учёт безызлучательных квантовых переходов играет существенную роль, когда его вероятность того же порядка или больше соответствующего квантового перехода с излучением. Например, если с первого возбуждённого уровня E2 возможен спонтанный излучательный переход на основной уровень E1 с вероятностью A21 и безызлучательный переход на тот же уровень с вероятностью C21, то полная вероятность перехода равна A21 + C21, а время жизни на уровне равно t'2 = 1/(A21 + C21) вместо t2 = 1/ A2 при отсутствии безызлучательного перехода. Таким образом, за счёт безызлучательных квантовых переходов время жизни на уровне уменьшается. При A21 >> C21 время t'2 очень мало по сравнению с t2, и подавляющее большинство частиц будет терять энергию возбуждения E2 - E1 при безызлучательных процессах — будет происходить тушение спонтанного испускания.
- Квантовые переходы.
- Квантовые переходы.