Naturlig linjebredd

Den naturliga bredden på spektrallinjen  är bredden på spektrallinjen av strålning från ett isolerat kvantmekaniskt system .

Kvantsystem beskrivs av deras vågfunktioner , vars moduli av komplexa amplituder minskar ganska snabbt med ökande avstånd till systemet, men från en formell synvinkel försvinner de aldrig. Ett isolerat system vars vågfunktioner inte överlappar med andra systems vågfunktioner är generellt sett ett abstrakt begrepp.

Energinivåerna för tillstånden i ett sådant system är kvantiserade (diskreta), men det följer av osäkerhetsprincipen att spektrallinjerna i även ett isolerat system har en ändlig men liten bredd, det vill säga de är kvasi-diskreta. Detta fenomen förklaras av systemets interaktion med nollsvängningar av vakuumfält (till exempel det elektromagnetiska fältet ).

Något exciterat (det vill säga inte på den lägsta energinivån ) kvantmekaniska system kan inte vara i detta tillstånd under en godtyckligt lång tid. Efter en slumpmässig tid, i genomsnitt lika med tillståndets livslängd , även i frånvaro av interaktion med andra system, sker spontan emission (till exempel en foton , men strålning av andra partiklar med en vilomassa som inte är noll , till exempel , en elektron, är också möjlig). Spontan emission beror på interaktion med nollpunktssvängningar av kvantfält i det fysiska vakuumet . Kvantmekaniken visar att energin hos en harmonisk oscillator är lik noll även i det oexciterade marktillståndet. Konsekvensen av detta påstående är [1] att vakuumet fylls med små, så kallade nollpunktssvängningar av olika fält , inklusive elektromagnetiska. Interaktion med dessa fält leder så småningom till en spontan övergång av systemet till marken eller mer underliggande energitillstånd och den samtidiga emissionen av ett fält eller partikelkvantum.

Det följer av osäkerhetsprincipen att den naturliga linjebredden bestäms av livslängden för det exciterade tillståndet, det vill säga av intensiteten av dess interaktion med fältet. En sådan interaktion är som regel extremt liten - till exempel för tillåtna elektromagnetiska övergångar i atomer och joner kännetecknas den av en fin strukturkonstant i tredje graden.

Den naturliga bredden på spektrallinjen är således en konsekvens av osäkerhetsprincipen. I ett särskilt men praktiskt viktigt fall av optisk spektroskopi är den naturliga linjebredden vanligtvis i storleksordningen en tiondel av bredden av den teoretiska upplösningsgränsen för spektroskop , på grund av Dopplereffekten på grund av den slumpmässiga rörelsen av emitterande atomer i en gas.

Den naturliga sönderfallsbredden är av stor betydelse inom högenergifysik , där den ackumulerade statistiken över mätningar av energin hos sönderfallsprodukter kan användas för att beräkna livslängden för partiklar som produceras i acceleratorer [2] .

Den naturliga bredden av spektrallinjen beror på avklingningsbredderna för både de initiala och slutliga tillstånden i systemet mellan vilket övergången sker. I fallet med avklingning till ett stabilt tillstånd (det vill säga en nivå med noll avklingningsbredd) sammanfaller den naturliga linjebredden med avklingningsbredden för initialtillståndet. I det fall då bredderna på båda nivåerna är ändliga, är kvadraten på linjens naturliga bredd lika med summan av kvadraterna på bredden av initial- och sluttillståndet.

Länkar

Encyclopedia of Physics and Technology

Litteratur

Anteckningar

  1. ↑ Tsipenyuk Yu. M. Nollenergi och nollsvängningar: hur de upptäcks experimentellt  // UFN . - 2012. - T. 182 . - S. 855-867 . - doi : 10.3367/UFNr.0182.201208e.0855 .
  2. ↑ Rod Nave Quantum Physics Arkiverad 12 november 2020 på Wayback Machine , HyperPhysics Project, Georgia State University.