電子得到能量後為什麼不能長存在高能軌道,而要再釋放能量到低能軌道?

時間 2021-05-06 23:28:29

1樓:

我個人覺得穩定是相對的,僅僅是能級高的軌道躍遷到能級低的軌道概率大於相反的過程而已。抑或是能量高的電子具有更高維度的自由度,因而更容易釋放出光子。

2樓:

能量最低原理,這是自然規律,沒有理論解釋為什麼會自發輻射,就像沒有理論可以解釋光速恆定。但是理論可以詳細描述這個躍遷和輻射的過程。

你也可以這樣理解,凸面上臨界穩定的球會在擾動下滾落到平面,但是無能量輸入的情況下,平面的球無可能自發的滾動到凸面。

3樓:

推導啥的高讚都有了,我來談談物理影象吧。

由於電子和光場有耦合,而光場的動量 (能量)是連續譜。

一言以蔽之,光場像是reservoir,從電子的高能級演化過去很容易,反向演化回來很難。結果就是電子最終衰減到低能級

4樓:nzczll

可以長存。

只是長存在高能級的概率,比長存在低能級的概率要小很多。

不能長存,和長存的概率很小,兩者具有很大的差別,仔細區分清楚。

你要以為完全不能長存,當然這樣很不好理解。

能長存,但概率很小,這樣容易理解得多。

量子力學中幾乎沒有絕對的東西,只有概率大小的不同。

5樓:

剛學完量子光學,個人觀點是真空中存在電磁場的量子漲落,這種量子漲落就像是測不准原理一樣,就是你無法精確的知道某處的場強是多少,甚至沒有光入射的時候你也無法精確的測量得到此處的電場強度為0,這是測不准原理決定的(當然多次測量平均值為0),所以不為0的電場將引入微擾,所以高能量的位置就不再是乙個亞穩態,而是非穩態,將回落至低能態。

6樓:

換個理解方式如何?他不是獲得了能量,而是他在這個高能軌道本身就是他獲得能量的表現,也就是到這個位置他獲得能量已經「沒了」,變成電勢能了。

7樓:

既然有人從量子場論的角度出發解釋過了,那麼我就不再多說這方面的內容了。

但是,我認為可以從另乙個角度回答問題。就是:在量子力學裡,沒有守恆律或者對稱性禁戒的事情遲早會發生。

所以,乙個高能級的系統,它自發躍遷到低能級並釋放出輻射的概率,只要沒有某種守恆律或者對稱性禁戒,那麼它一定非零。這意味著我們只要等足夠長的時間,我們一定能等到它自發躍遷。

相反系統從低能級到高能級就不行了,如果沒有外界能量輸入,能量守恆律禁止它躍遷。

8樓:

低溫下高能電子+低能場這樣的態比較少假設是1個白罐子低能電子+高能場這樣的態比較多假設是10000個黑罐子系統會在這10001個罐子中間隨機地跳,跳的頻率取決於電子和場的耦合強度,耦合越大跳的越歡

如果開始在白罐,下一秒肯定跳到黑罐

如果開始在黑罐,下一秒基本還是跳到另乙個黑罐黑跳白的機率太小了,也就是說只要有耦合,高基本肯定跳低,低基本肯定不會跳高

9樓:Quilt

看了好多答案,基本想法就是電子總會跟光子耦合,就算真空裡也有量子漲落,從而無法實現氫原子薛丁格方程裡那種完全不隨時間演化的定態。

在晶體裡,能帶上的電子還能跟聲子以及缺陷相互作用從而衰變成低能態。

10樓:淺斟低唱

如果只考慮電子的結構,做波函式上的譜分解,體系的原子哈密頓量是對角的,

, 體系本徵波函式是原子哈密頓量本徵函式,因而對應的密度矩陣和哈密頓量対易,進而可以『穩定』存在。

但是事實上,體系除了有原子勢能,還有和真空光場的耦合:

進而使得體系的本徵波函式不再是體系哈密頓量的本徵函式,因此自然會演化出來基態的部分。

由於原子是和真空光場耦合的,真空光場具有各種可能的波長,因而電子得到能量包後不能長存在高能軌道。但是,如果我們將乙個原子放置在乙個單模式的光腔中(光腔的作用是壓制全波長的光場,光腔一般只有少數幾個模式。),會出現所謂的『暗態』的現象,處在暗態的高能量電子並不會很容易的被光場吃掉、或者吃掉一些光場而輻射到真空態。

例如:淺斟低唱:用QuTip學量子光學(四):三原子系統(1):相干布局囚禁(CPT),絕熱拉曼路徑(STIRAP)

實驗上,這樣的現象多被用於人工量子系統來保護量子態:

超導量子電路:

Stimulated Raman adiabatic passage in a three-level superconducting circuit

量子點:

Optically controlled locking of the nuclear field via coherent dark-state spectroscopy

11樓:wjhbb

電磁場(也就是光子的場)有乙個特性,當存在處於某種狀態的光子數為n時,進入到包含n+1個光子狀態的機率正比於n+1。對於真空,n為0,這種情況下變為n=1的機率並不是0,這就是高能級會向下躍遷的原因,因為這會讓電磁場多乙個光子,當然同時不能違背一些基本的守恆律。這就是自發輻射。

12樓:盧健龍

定量地,我們可以將這個包含兩個能級的系統的Hamiltonian分成三部分,分別是原子項、場項以及相互作用項:

其中 和 分別代表激發態和基態, 描述的則是原子和場的耦合強度。

這個系統有無數種可能的狀態,我們可以將這些狀態簡潔地記為 和 ,狀態符號的第一部分告訴我們原子處於激發態還是基態,第二部分告訴我們系統裡有幾個光子以及光子的狀態。於是整個系統在時刻 的狀態可以展開成所有這些可能的狀態的疊加,即 。

接著我們可以用熟悉的 。

將 和 的表示式代入方程左邊可得:

整理一下就是:

將 的表示式代入方程右邊可得:

於是左右兩邊消去相同項可得:

於是:注意在我們的例子裡 顯然不依賴於 的方向,即

接著我們有:

為了方便我們可以將 的方向設為極座標的豎直向上方向,於是得到:

取體積 趨於無窮大的極限的情況下, 的取值由離散變為連續,所以相應地便要將對 求和變成對 求積分,即:

最後,利用Weisskopf-Wigner我們可以先將遠小於 的部分取近似並將 在 時的取值提到積分符號外面,接著可以將遠大於 的部分包括進來並將 的積分上限推到正無窮。這個操作的關鍵在於遠小於 和遠大於 的部分的貢獻都是可以忽略的。即

解出來的 的表示式中包含乙個指數變化的因子 ,我們將其中的 寫成 ,這就是自發輻射的衰變常數(又稱愛因斯坦因子)。

13樓:Again

不太理解這為何會成為乙個問題……電子當然有可能在激發態長久地待著,只是概率比較低而已。下面只是泛泛談一下,不涉及場論。

一般情形下t0時刻的初態 |i>在t時刻坍縮到末態|f>的機率幅是,取其模方就是坍縮機率,其中U(t,t0)是時間演化算符,它負責把|i>從t_0時刻絕熱演化到t時刻,如果絕熱演化後的i態與f態內積非零,那就有機率在t時刻轉變為f態。在衰變這個例子裡,初態i就是乙個電子的激發態,而末態f則是電子基態與乙個光子態的直積。

值得注意的是,只要微觀過程不存在耗散,則絕熱演化時間反演對稱,即 ,那上述機率幅的復共軛恰是逆過程 f->i轉變的機率幅。眾所周知共軛複數的莫方相等,所以正逆過程發生的機率相等。

因此,只要不存在微觀耗散,那乙個電子有多大的機率吸收乙個光子在某時間間隔內從基態躍遷至某特定激發態,那麼處於該激發態的電子就會有相同的機率在相同的時間間隔內躍遷至基態並放出乙個同頻光子。對乙個孤立的受激原子而言,由於每一小段時間內都有機率向基態躍遷,那在漫長的時間長河中躍遷至基態就幾乎是一定的事情。

14樓:

簡單地說,高能軌道到低能軌道,和低能軌道到高能軌道,原則上並沒有區別;但是實際上,如果沒有外來的能量注入,低能軌道到高能軌道的過程是違反能量-動量守恆的,因此不能發生

電子獲得能量後跳到高能軌道,和原子核一起,形成乙個束縛態,束縛態很多時候可以看成單個粒子,只不過這個粒子自身的能量是可以變化的

單個粒子在能量較高的狀態(即高能態),會有一定的概率回到能量較低的狀態(即低能態),這種過程叫做衰變,可以通過很多方法計算出其衰變率或者衰變寬度,用希臘字母 表示,即單位時間內有多少比例的高能態粒子衰變到低能態

衰變率和兩個因素有關,第一是「相空間」,是由不確定性原理所決定的,簡單理解就是能量-動量守恆所允許的大小,這是其中的運動學因素;顯然,從低能態躍遷到高能態,是不可以自發發生的,因此對應的相空間為零

第三,根據初態和末態的特點,有些衰變過程會被各種各樣的守恆定律給禁掉,比如說重子數守恆,輕子數守恆,電荷守恆,角動量守恆,同位旋守恆,宇稱守恆,等等……這些被禁掉的過程叫做禁戒過程,它們的衰變率為零(不嚴格的守恆律會極大地壓低其衰變率)

另外,同乙個初態,完全可能可以衰變到不同的末態,對於「所有可能的末態,只要衰變率不為零」,就要把這些衰變率加起來,得到乙個總衰變率

而在高能態上停留的時間,又叫做粒子壽命,用希臘字母 表示,它和總衰變率成反比,這就是我們熟悉的半衰期(相差乙個常數)

如果出現禁戒過程,導致某些反應道的衰變率為零,那意味著總衰變率會比較小,於是粒子可以在高能態停留的時間就比較長,雷射的原理就是利用這個特點實現「粒子數反轉」的

如果粒子處於能量最低的狀態,也就是其他任何狀態能量都是高能態,而粒子無法自發地衰變到高能態,因此衰變率為零,於是壽命就是無窮長,也就是「穩定」的

15樓:棲雨

因為附近有一處能量更低/更需要能量的地方,將電子與此處作為乙個整體看,能量在體系內趨向平衡,可以理解為某種形式的體系內能量由高態向低態「擴散」,焓變小於0,所以自發進行。

16樓:

簡單的說量子力學這個低能近似的理論裡,從薛丁格方程可看出,能量算符的本徵態即穩定軌道即定態,這時候的電磁場是經典場,乙個背景。 但考慮二次量子化後電磁場的勢能項變成了電子與光子的相互作用項,構造厄公尺的相互作用並觀察可發現這種相互作用使得電子在高能軌道的態隨時間演化時可以自身就演化到低能軌道的態加光子,從而不再是穩定的態產生了自發輻射(自發從高能軌道躍遷到低能軌道並輻射出光子)

17樓:Abbbbb

一般的電偶極躍遷在高能軌道的壽命大概就是幾十納秒到幾百納秒。一些偶極禁閉的躍遷壽命能到小時,幾天甚至一周。不過最後都會回到低能軌道。

如果不單獨考慮原子系統,把環境也包含進去,那麼電子激發態與真空態的耦合就會導致電子的自發衰退。經典電磁理論是不好解釋自發衰退,要有量子場論來解釋。

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