В атомной физике и химии атомный электронный переход (также называемый атомным переходом, квантовым скачком) — это переход электрона с одного энергетического уровня на другой внутри атома или искусственного атома. Эти энергетические уровни дискретны, квантованы и имеют уникальные расстояния между энергетическими уровнями, специфичными для данного атома. Хотя это не исчерпывающий список, энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (ЭДС) и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) — это лишь некоторые из многих методов исследования, которые используют явление «атомного отпечатка» атомных электронных переходов, получаемых по уникальным квантованным энергетическим уровням, для идентификации присутствия атомов и их относительного состава в образцах.
Электроны могут переходить в состояния с более низкой энергией, испуская электромагнитное излучение в виде фотона. Электроны также могут поглощать проходящие фотоны, что возбуждает электрон в состояние с более высокой энергией. Чем больше разница энергий между начальным и конечным состоянием электрона, тем короче длина волны фотонов.
История Датский физик Нильс Бор впервые выдвинул теорию о том, что электроны могут совершать квантовые скачки, в 1913 году. Вскоре после этого Джеймс Франк и Густав Людвиг Герц экспериментально доказали, что атомы имеют квантованные энергетические состояния.
Наблюдаемость квантовых скачков была предсказана Хансом Демельтом в 1975 году, а впервые они были обнаружены с помощью захваченных ионов бария в Гамбургском университете и ртути в NIST в 1986 году.
Теория Атом взаимодействует с колеблющимся электрическим полем:с амплитудой угловой частотой и вектором поляризации . Фактическая фаза — это . Однако во многих случаях изменение мало по отношению к размеру атома (или, эквивалентно, 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.
Гамильтониан этого взаимодействия, аналогичный энергии классического диполя в электрическом поле, имеет следующий вид: . Скорость стимулированного перехода можно рассчитать с помощью теории возмущений, зависящей от времени; однако результат можно обобщить, используя золотое правило Ферми: Матричный элемент диполя можно разложить на произведение интегралов по радиусу и углу. Угловой интеграл равен нулю, если не выполняются правила отбора для атомного перехода.
Взаимодействие электромагнитного излучения Для возбуждения электрона на более высокий энергетический уровень необходимо, чтобы падающий фотон проник в атом, поглотился им и попали на электрон с энергией, точно соответствующей энергии, необходимой для завершения перехода на данный более высокий энергетический уровень. Расстояния между квантованными энергетическими уровнями атомов находятся в том же масштабе, что и ультрафиолетовое (УФ) и рентгеновское излучение; следовательно, можно понять, что жнергетические щели между уровнями составляют порядка сотен нанометров или меньше. Принцип Франка — Кондона гласит, что, поскольку движение ядер намного медленнее по сравнению с движением электронов, электронные переходы происходят линейно и приведут к возбуждению на энергетический уровень только в том случае, если падающее излучение эквивалентно по энергии энергетической щели и если плотности вероятности начального и конечного состояний значительно перекрывается. Для исследования таких электронных возбуждений можно использовать лазеры с УФ и рентгеновскими длинами волн. Временной масштаб квантового скачка экспериментально не измерялся. Однако принцип Франка — Кондона ограничивает верхний предел этого параметра порядка аттосекунд.
Подобно тому, как для возбуждения электрона в систему (атом) должна быть затрачена и поглощена энергия, при релаксации электрона на более низкий энергетический уровень происходит либо посредством радиационного, либо нерадиационного перехода. Последующий радиационный переход также имеет размер длины волеы порядка нанометров и может быть обнаружен различными способами.
Методы, использующие электромагнитное излучение для электронных переходов УФ-видимая спектроскопия — видимый и/или ультрафиолетовый свет направляется на образец для исследования его вещества. Измеряется либо интенсивность прошедшего света (пропускание), либо отсутствие прошедшего света (поглощение), и эти значения отображаются на спектре. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия — высокоэнергетический электронный пучок попадает на образец и выбивает электроны из внутренних электронных оболочек атома. По мере того, как электроны падают на более низкие энергетические уровни, чтобы заполнить вакансии, испускаются рентгеновские лучи, характерные для данного атома. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия — распространённый метод характеризации, используемый для элементного определения состава образца. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия — падающие рентгеновские лучи используются для возбуждения электронов на поверхности образца. Затем электроны с поверхности вылетают, при этом регистрируются их соответствующие энергии и количества. Поскольку разные атомы имеют разные энергии связи, этот тип характеризации также может быть использован для определения элементного состава синтезированных материалов.
Искусственные атомы В 2019 году это было продемонстрировано в эксперименте со сверхпроводящим искусственным атомом, состоящим из двух сильно гибридизованных трансмонных кубитов, помещённых внутрь резонатора считывания при 15 мK, что эволюция некоторых скачков является непрерывной, когерентной, детерминированной и обратимой. С другой стороны, другие квантовые скачки по своей природе непредсказуемы.
Примечания
Внешние ссылки
Part 2 "There are no quantum jumps, nor are there particles!" by H. D. Zeh, Physics Letters A172, 189 (1993).
"Surface plasmon at a metal-dielectric interface with an epsilon-near-zero transition layer" by Kevin Roccapriore et al., Physical Review B 103, L161404 (2021). Категория:Атомная физика