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量子跃迁

在外界作用下,任何一种量子力学体系状态发生跳跃式变化的过程。原子在光的照射下从高(低)能级跳到低(高)能级,就是一种典型的量子跃迁过程,通常称为能级跃迁。在原子状态发生跃迁的同时,将放出(吸收)一个光子,其能量hv等于跃迁前后两状态的能量差。这是能量守恒定律在基元过程中的具体表现。即使不受光的照射,处于激发状态的原子在电磁场真空(电磁场中一个光子也没有的状态)的作用下仍能跃迁到较低能级,同时放出一个光子,这称为自发跃迁或自发辐射。

量子跃迁的规律有着明显的几率性,这是量子力学规律的根本特征。以原子从激发态(能级E2,波函数ψ2)向基态 (E1,ψ1,E1<E2)的自发跃迁为例,设有大量(N个,N 1)原子均处于激发态 ψ2。无法预言某一个原子什么时刻发生ψ2→ψ1的跃迁,有的原子发生得早,有的原子发生得迟,即各个原子停留在激发ψ2态的时间(激发态寿命)不是整齐划一的。但对大量原子来说,激发态(ψ2)寿命的平均值 τ却是一定的,可以由实验加以测定,或由量子力学理论计算出来。平均寿命的倒数1/τ称为跃迁速率,它表征跃迁过程的快慢速度。原子自发跃迁的跃迁速率约为108~109秒-1,激发态平均寿命约为10-8~10-9秒,几千度高温下原子发光主要是外层电子(价电子)自发跃迁的结果,天然放射性中的γ射线则是原子核自发跃迁的产物。

量子力学计算表明,跃迁速率与外界作用势V以及跃迁前后状态(ψ1,ψ2)的性质有关,和所谓跃迁矩阵元<ψ1|V|ψ2>的绝对值次方成比例。当作用势给定后,一般仅当标志状态ψ1、ψ2的量子数之间满足一定关系时,跃迁矩阵元<ψ1|V|ψ2>才不等于0,跃迁得以发生。量子数之间的这种关系称为选择定则。不满足选择定则要求的两个状态之间不能发生跃迁(跃迁速率为0),或者说相应的跃迁是禁戒的。