Naturlig linjebredde

Den naturlige bredde af spektrallinjen  er bredden af ​​spektrallinjen af ​​stråling fra et isoleret kvantemekanisk system .

Kvantesystemer beskrives ved deres bølgefunktioner , hvis moduler af komplekse amplituder aftager ret hurtigt med stigende afstand til systemet, men fra et formelt synspunkt forsvinder de aldrig. Således er et isoleret system, hvis bølgefunktioner ikke overlapper med andre systemers bølgefunktioner, generelt set et abstrakt begreb.

Energiniveauerne for et sådant systems tilstande er kvantificerede (diskrete), men det følger af usikkerhedsprincippet, at spektrallinjerne i selv et isoleret system har en begrænset, men lille bredde, det vil sige, at de er kvasi-diskrete. Dette fænomen forklares af systemets interaktion med nul-oscillationer af vakuumfelter (for eksempel det elektromagnetiske felt ).

Ethvert ophidset (det vil sige ikke på det laveste energiniveau ) kvantemekaniske system kan ikke være i denne tilstand i vilkårligt lang tid. Efter nogen tilfældig tid, i gennemsnit svarende til tilstandens levetid , selv i fravær af interaktion med andre systemer, sker der spontan emission (for eksempel en foton , men stråling af andre partikler med en hvilemasse , der ikke er nul , f.eks. , en elektron, er også muligt). Spontan emission skyldes interaktion med nulpunktsoscillationer af kvantefelter i det fysiske vakuum . Kvantemekanik viser, at energien af ​​en harmonisk oscillator er ikke-nul selv i jorden, uophidset tilstand. Konsekvensen af ​​dette udsagn er [1] at vakuumet er fyldt med små, såkaldte nulpunktssvingninger af forskellige felter , herunder elektromagnetiske. Interaktion med disse felter fører til sidst til en spontan overgang af systemet til jorden eller mere underliggende energitilstand og samtidig emission af et felt eller partikelkvante.

Det følger af usikkerhedsprincippet, at den naturlige linjebredde er bestemt af levetiden af ​​den exciterede tilstand, det vil sige af intensiteten af ​​dens interaktion med feltet. En sådan interaktion er som regel ekstremt lille - for eksempel for tilladte elektromagnetiske overgange i atomer og ioner er den karakteriseret ved en fin strukturkonstant i tredje grad.

Den naturlige bredde af spektrallinjen er således en konsekvens af usikkerhedsprincippet. I et særligt, men praktisk vigtigt tilfælde af optisk spektroskopi , er den naturlige linjebredde normalt i størrelsesordenen en tiendedel af bredden af ​​den teoretiske opløsningsgrænse for spektroskoper , på grund af Doppler-effekten på grund af den tilfældige bevægelse af emitterende atomer i en gas.

Den naturlige henfaldsbredde har stor betydning i højenergifysik , hvor den akkumulerede statistik over målinger af energien af ​​henfaldsprodukter kan bruges til at beregne levetiden for partikler produceret i acceleratorer [2] .

Den naturlige bredde af spektrallinjen afhænger af henfaldsbredderne af både de indledende og endelige tilstande af systemet, mellem hvilke overgangen sker. I tilfælde af henfald til en stabil tilstand (det vil sige et niveau med nul henfaldsbredde), falder den naturlige linjebredde sammen med henfaldsbredden af ​​den oprindelige tilstand. I det tilfælde, hvor bredderne af begge niveauer er endelige, er kvadratet af linjens naturlige bredde lig med summen af ​​kvadraterne af bredderne af start- og sluttilstanden.

Links

Encyclopedia of Physics and Technology

Litteratur

Noter

  1. ↑ Tsipenyuk Yu. M. Nul energi og nul oscillationer: hvordan de opdages eksperimentelt  // UFN . - 2012. - T. 182 . - S. 855-867 . - doi : 10.3367/UFNr.0182.201208e.0855 .
  2. ↑ Rod Nave Quantum Physics Arkiveret 12. november 2020 på Wayback Machine , HyperPhysics Project, Georgia State University.