量子躍遷

量子躍遷

量子躍遷,就是微觀狀態發生跳躍式變化的過程。由于微觀粒子的狀態常常是分立的,所以從一個狀態到另一個狀態的變化常常是跳躍式的。量子躍遷發生之前的狀態稱為初態,躍遷發生之後的狀態稱為末態。在外界作用下,任何一種量子力學體系狀態發生跳躍式變化的過程。原子在光的照射下從高(低)能級跳到低(高)能級,就是一種典型的量子躍遷過程,通常稱為能級躍遷。在原子狀態發生躍遷的同時,將放出(吸收)一個光子。量子躍遷的微觀變化形式在巨觀世界中不成立,其微觀的物理變化不同與巨觀。

  • 中文名稱
    量子躍遷
  • 初    態
    量子躍遷發生之前的狀態
  • 性    質
    微觀狀態發生跳躍式變化的過程
  • 形    式
    跳躍式

概述

(圖)量子躍遷(圖)量子躍遷

歷來有許多不同的預言,說世界末日將會在1999年、2000年和2002年發生,但都沒有兌現。如今,俄羅斯科學家將世界末日延後到2012年,其原因是2012年12月21日是瑪雅人日歷的最後一頁。根據這一古代預測,這一天將是“第五太陽”時代的最後一天,之後將開始出現由火凈化的時代。科學家表示,將需要一種特別強大的催化劑用來觸發量子躍遷,而強大的太陽耀斑就足以充當這一角色。美國科學家也紛紛預測2012年強大的太陽風暴也會襲擊地球,導致出現多米諾骨牌效應

概念

所謂的量子躍遷就是微觀狀態發生跳躍式變化的過程。由于微觀粒子的狀態常常是分立的,所以從一個狀態到另一個狀態的變化常常是跳躍式的。量子躍遷發生之前的狀態稱為初態,躍遷發生之後的狀態稱為末態。例如,原子在光的照射下從高能態放出一個光子而躍遷到低能態就是一種量子躍遷過程,稱為原子的“受激輻射”。因此,科學家有理由稱參與這種量子躍遷的人類不會死亡,而是會變成另一種形式。至少,一些科學家認為是這樣的。然而,俄羅斯天體物理學家不能確定世界終結的日子到底是哪一天,他們表示太陽活躍性在逐漸加大,因此很難預測太陽耀斑會何時發生,強度會有多大。

變化過程

(圖)量子非阿貝爾規範場論(圖)量子非阿貝爾規範場論 原子(含電子,質子,中子)-內部結構模型圖原子(含電子,質子,中子)-內部結構模型圖

在外界作用下,任何一種量子力學體系狀態發生跳躍式變化的過程。原子在光的照射下從高(低)能級跳到低(高)能級,就是一種典型的量子躍遷過程,通常稱為能級躍遷。在原子狀態發生躍遷的同時,將放出(吸收)一個光子,其能量hv等于躍遷前後兩狀態的能量差。這是能量守恆定律在基元過程中的具體表現。即使不受光的照射,處于激發狀態的原子在電磁場真空(電磁場中一個光子也沒有的狀態)的作用下仍能躍遷到較低能級,同時放出一個光子,這稱為自發躍遷或自發輻射。

光子-內部結構模型圖光子-內部結構模型圖

量子躍遷發生之前的狀態稱為初態,躍遷發生之後的狀態稱為末態。例如,原子在光的照射下從高能態放出一個光子而躍遷到低能態就是一種量子躍遷過程,稱為原子的“受激輻射”。反之,在光照下原子從低能態吸收一個光子而躍遷到高能態,則稱為“吸收”過程。在這些過程中放出或吸收的光子的能量等于原子的初態和末態兩個能級之差,這是能量守恆定律在微觀現象中的體現。不受到光的照射,處于激發態的原子也可能自動躍遷到低能態,同時放出一個光子,此過程稱為“自發輻射”。此外在原子核和基本粒子現象中也存在許多量子躍遷現象,如原子核和基本粒子的衰變過程、聚變過程和裂變過程等。

重要特征

量子躍遷過程的重要特征是它的概率性。例如在自發躍遷過程中,若初態時有許多原子處于某一激發態,則躍遷過程的概率性表明人們無法預言其中某個原子自發躍遷到基態的確切時刻。或許有些原子躍遷發生得早些,而有些發生得遲些。所以每個原子停留在激發態的時間(稱為激發態壽命)並不相同。但是對于大量某種原子來說,每一激發態壽命的平均值τ是一定的,可以通過實驗測定,也可通過量子理論算出。τ稱為“平均壽命”,簡稱“壽命”。壽命的倒數1/τ稱為“躍遷速率”,它特征是躍遷過程的快慢程度。原子的自發躍遷速率約為108秒-1~109秒-1,激發態壽命約為10-8秒~10-9秒。高溫下原子發光主要是原子內外層電子(價電子)自發躍遷的結果。放射性元素放出γ射線則是原子核自發躍遷的結果。量子躍遷是微觀狀態由于相互作用而產生的變化過程,這種過程應當滿足各種守恆定律。因此躍遷前後描述初態和末態的物理量或量子數應滿足一定的關系,這種關系稱為“選擇定則”。

躍遷規律

(圖)量子躍遷(圖)量子躍遷

量子躍遷的規律有著明顯的幾率性,這是量子力學規律的根本特征。以原子從激發態(能級E2,波函式ψ2)向基態 (E1,ψ1,E1<E2)的自發躍遷為例,設有大量(N個,N

量子躍遷量子躍遷

1)原子均處于激發態 ψ2。無法預言某一個原子什麽時 刻發生ψ2ψ1的躍遷,有的原子發生得早,有的原子發生得遲,即各個原子停留在激發ψ2態的時間(激發態壽命)不是整齊劃一的。但對大量原子來說,激發態(ψ2)壽命的平均值 τ卻是一定的,可以由實驗加以測定,或由量子力學理論計算出來。平均壽命的倒數1/τ稱為躍遷速率,它表征躍遷過程的快慢速度。原子自發躍遷的躍遷速率約為10~10秒,激發態平均壽命約為10~10秒,幾千度高溫下原子發光主要是外層電子(價電子)自發躍遷的結果,天然放射性中的γ射線則是原子核自發躍遷的產物。

量子力學計算表明,躍遷速率與外界作用勢V以及躍遷前後狀態(ψ1,ψ2)的性質有關,和所謂躍遷矩陣元<ψ1|V|ψ2>的絕對值次方成比例。當作用勢給定後,一般僅當標志狀態ψ1ψ2的量子數之間滿足一定關系時,躍遷矩陣元<ψ1|V|ψ2>才不等于0,躍遷得以發生。量子數之間的這種關系稱為選擇定則。不滿足選擇定則要求的兩個狀態之間不能發生躍遷(躍遷速率為0),或者說相應的躍遷是禁戒的。

相關詞條