Természetes vonalszélesség

A spektrumvonal természetes szélessége egy izolált kvantummechanikai rendszerből származó sugárzás spektrumvonalának  szélessége .

A kvantumrendszereket hullámfüggvényeik írják le, amelyek komplex amplitúdóinak modulusai a rendszertől való távolság növekedésével meglehetősen gyorsan csökkennek, formai szempontból azonban soha nem tűnnek el. Így egy olyan elszigetelt rendszer, amelynek hullámfüggvényei nem fedik át más rendszerek hullámfüggvényeit, általánosságban véve egy elvont fogalom.

Egy ilyen rendszer állapotainak energiaszintje kvantált (diszkrét), azonban a bizonytalansági elvből következik , hogy még egy elszigetelt rendszer spektrumvonalai is véges, de kis szélességűek, azaz kvázi diszkrétek. Ezt a jelenséget a rendszer kölcsönhatása a vákuumterek (például az elektromágneses tér ) nulla rezgéseivel magyarázza.

Egyetlen gerjesztett (vagyis nem a legalacsonyabb energiaszintű ) kvantummechanikai rendszer nem lehet tetszőlegesen hosszú ideig ebben az állapotban. Némi véletlenszerű idő elteltével, átlagosan az állapot élettartamával megegyező , más rendszerekkel való kölcsönhatás hiányában is spontán emisszió lép fel (például egy foton , de más, nullától eltérő nyugalmi tömegű részecskék sugárzása , pl. , elektron is lehetséges). A spontán emisszió a kvantummezők nullponti oszcillációival való kölcsönhatás következménye a fizikai vákuumban . A kvantummechanika azt mutatja, hogy a harmonikus oszcillátor energiája még a gerjesztetlen alapállapotban sem nulla. Ennek az állításnak az a következménye [1] , hogy a vákuumot különféle mezők , köztük az elektromágneses mezők kis, úgynevezett nullponti rezgései töltik meg . Az ezekkel a mezőkkel való kölcsönhatás végül a rendszer spontán átmenetéhez vezet a talajba vagy a mögöttes energiaállapotba, és egyidejűleg egy mező vagy részecskekvantum kibocsátásához vezet.

A bizonytalansági elvből következik, hogy a természetes vonalszélességet a gerjesztett állapot élettartama , vagyis a mezővel való kölcsönhatásának intenzitása határozza meg. Az ilyen kölcsönhatás általában rendkívül kicsi - például az atomok és ionok megengedett elektromágneses átmenetei esetében a finom szerkezeti állandó a harmadik fokban jellemzi.

Így a spektrumvonal természetes szélessége a bizonytalansági elv következménye. Az optikai spektroszkópia egy sajátos, de gyakorlatilag fontos esetében a természetes vonalszélesség általában a spektroszkópok elméleti felbontási határának szélességének egytizede, a gázban kibocsátó atomok véletlenszerű mozgásából adódó Doppler-effektus miatt .

A természetes bomlási szélesség nagy jelentőséggel bír a nagyenergiájú fizikában , ahol a bomlástermékek energiájának mérési statisztikáiból a felhalmozott statisztika felhasználható a gyorsítókban keletkező részecskék élettartamának kiszámításához [2] .

A spektrumvonal természetes szélessége a rendszer kezdeti és végső állapotának csillapítási szélességétől függ, amelyek között az átmenet megtörténik. Stabil állapotba (vagyis nulla csillapítási szélességű szintre) történő csökkenés esetén a természetes vonalszélesség egybeesik a kezdeti állapot csillapítási szélességével. Abban az esetben, ha mindkét szint szélessége véges, a vonal természetes szélességének négyzete egyenlő a kiindulási és a végállapotok szélességének négyzetösszegével.

Linkek

Fizikai és Technológiai Enciklopédia

Irodalom

Jegyzetek

  1. ↑ Tsipenyuk Yu. M. Nulla energia és nulla oszcilláció: kísérletileg észlelhető  // UFN . - 2012. - T. 182 . - S. 855-867 . - doi : 10.3367/UFNr.0182.201208e.0855 .
  2. ↑ Rod Nave Quantum Physics archiválva : 2020. november 12., a Wayback Machine , HyperPhysics Project, Georgia State University.