Естественная ширина спектральной линии

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Естественная ширина спектральной линии — ширина спектральной линии излучения изолированной системы. Квантовые системы описываются своими волновыми функциями, которые достаточно быстро убывают с увеличением расстояния до системы, однако, с формальной точки зрения, никогда не затухают совсем. Таким образом, изолированная система, у которой волновые функции не перекрываются с волновыми функциями других систем является, вообще говоря, абстракцией. Уровни состояний такой системы квантованы (дискретны), однако, в соответствии с принципом неопределенности следует ожидать конечной (малой) ширины спектральных линий, их квазидискретности. Этот феномен объясняется взаимодействием системы с нулевыми колебаниями полей (например, электромагнитного поля).

Любая квантово-механическая система не может находиться сколь угодно долго в возбужденном состоянии. Рано или поздно, даже при отсутствии взаимодействия с другими системами, происходит спонтанное излучение (например — фотона, однако возможно и излучение других частиц). Это излучение обусловлено существованием нулевых колебаний поля. Квантовая механика показывает, что волновая функция гармонического осциллятора отлична от нуля даже в основном состоянии. Следствием этого утверждения является[источник не указан 405 дней] то, что вакуум заполнен малыми (так называемыми нулевыми) колебаниями различных полей, в том числе и электромагнитного. Взаимодействие с этими полями приводит в конце концов к спонтанному переходу системы в основное или более низколежащее энергетическое состояние и одновременному излучению кванта поля. Естественная ширина линии определяется временем жизни возбужденного состояния, то есть интенсивностью его взаимодействия с полем. Такое взаимодействие, как правило, чрезвычайно мало — так, для разрешённых электромагнитных переходов в атомах и ионах оно характеризуется постоянной тонкой структуры \alpha \approx 1/137 в третьей степени.

Таким образом, естественная ширина спектральной линии является естественным следствием принципа неопределённости. В частном, но практически важном случае оптической спектроскопии естественная ширина линий обычно составляет порядка одной десятой от ширины теоретического предела разрешающей способности спектроскопов, обусловленной эффектом Доплера. Естественная ширина приобретает значение в физике высоких энергий, где с её помощью можно измерять время жизни частиц, получаемых в ускорителях.[1]

Естественная ширина спектральной линии определяется шириной распада как начального, так и конечного состояния системы, между которыми происходит переход. В случае стабильного конечного уровня (то есть уровня нулевой ширины) естественная ширина линии совпадает с шириной распада начального состояния. В случае, когда ширины обоих уровней конечны, квадрат естественной ширины линии равен сумме квадратов ширин начального и конечного состояний.

Ссылки[править | править вики-текст]

Энциклопедия физики и техники

Литература[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Rod Nave Quantum Physics, проект HyperPhysics, Georgia State University.