Přirozená šířka čáry

Přirozená šířka spektrální čáry  je šířka spektrální čáry záření z izolovaného kvantově mechanického systému .

Kvantové systémy jsou popsány svými vlnovými funkcemi , jejichž moduly komplexních amplitud s rostoucí vzdáleností od systému poměrně rychle klesají, ale z formálního hlediska nikdy nezanikají. Izolovaný systém, jehož vlnové funkce se nepřekrývají s vlnovými funkcemi jiných systémů, je tedy obecně řečeno abstraktní pojem.

Energetické hladiny stavů takového systému jsou kvantované (diskrétní), z principu neurčitosti však vyplývá , že spektrální čáry i izolovaného systému mají konečnou, ale malou šířku, to znamená, že jsou kvazidiskrétní. Tento jev se vysvětluje interakcí systému s nulovými oscilacemi vakuových polí (např. elektromagnetického pole ).

Jakýkoli excitovaný (tedy ne na nejnižší energetické úrovni ) kvantový mechanický systém nemůže být v tomto stavu po libovolně dlouhou dobu. Po nějakém náhodném čase, v průměru rovném době života stavu, i při absenci interakce s jinými systémy dochází ke spontánní emisi (například fotonu , ale záření jiných částic s nenulovou klidovou hmotností , např. , elektron, je také možný). Spontánní emise je způsobena interakcí s nulovými oscilacemi kvantových polí ve fyzikálním vakuu . Kvantová mechanika ukazuje, že energie harmonického oscilátoru je nenulová i v základním, nevybuzeném stavu. Důsledkem tohoto tvrzení je [1] , že vakuum je vyplněno malými, tzv. kmity nulového bodu různých polí , včetně elektromagnetických. Interakce s těmito poli nakonec vede ke spontánnímu přechodu systému do základního nebo více základního energetického stavu a současné emisi kvantového pole nebo částice.

Z principu neurčitosti vyplývá, že přirozená šířka čáry je určena dobou života excitovaného stavu, tedy intenzitou jeho interakce s polem. Taková interakce je zpravidla extrémně malá - například pro povolené elektromagnetické přechody v atomech a iontech se vyznačuje jemnou strukturní konstantou na třetím stupni.

Přirozená šířka spektrální čáry je tedy důsledkem principu neurčitosti. Ve zvláštním, ale prakticky důležitém případě optické spektroskopie je přirozená šířka čáry obvykle v řádu jedné desetiny šířky teoretického rozlišovacího limitu spektroskopů v důsledku Dopplerova jevu v důsledku náhodného pohybu emitujících atomů v plynu.

Přirozená šířka rozpadu má velký význam ve fyzice vysokých energií , kde lze nashromážděnou statistiku měření energie produktů rozpadu použít k výpočtu doby života částic produkovaných v urychlovačích [2] .

Přirozená šířka spektrální čáry závisí na šířkách rozpadu jak počátečního, tak konečného stavu systému, mezi kterým dochází k přechodu. V případě rozpadu do stabilního stavu (to je úroveň s nulovou šířkou rozpadu) se přirozená šířka čáry shoduje s šířkou rozpadu výchozího stavu. V případě, že jsou šířky obou úrovní konečné, je druhá mocnina přirozené šířky úsečky rovna součtu čtverců šířek počátečního a konečného stavu.

Odkazy

Encyklopedie fyziky a techniky

Literatura

Poznámky

  1. ↑ Tsipenyuk Yu.M. Nulová energie a nulové oscilace: jak jsou experimentálně detekovány  // UFN . - 2012. - T. 182 . - S. 855-867 . - doi : 10.3367/UFNr.0182.201208e.0855 .
  2. ↑ Rod Nave Quantum Physics Archived 12. listopadu 2020 na Wayback Machine , HyperPhysics Project, Georgia State University.