Какова динамика атома и фотона, когда атом поглощает фотон в квантово-механической картине?

Начнем с рассмотрения поведения атома, облученного резонансной электромагнитной волной постоянной амплитуды и частоты.$\omega$. Для простоты возьмем водород.

Классическое электрическое поле

Электрическое поле поляризует атом, перемещая электрон вдоль оси поляризации. Чтобы надлежащим образом учесть дискретные энергетические собственные состояния электрона ($|1s\rangle$,$|2s\rangle$,$|2p\rangle$и т. д.) нам нужно рассматривать его квантово-механически. Поэтому вместо точечной частицы нам нужно описать ее волновой функцией. В основном состоянии занимает$1s$ орбитальный.
Если вы, например, возбудите его на частоте, резонансной с$1s \to 2p_x$При переходе волновая функция, описывающая электрон, смещается под действием электрического поля вдоль$x$ось. Затем его можно описать суперпозицией волновых функций, связанных с$1s$и$2p_x$орбитали. $$\left| \Psi(t) \right\rangle = \alpha(t) \left| 1s \right\rangle + \beta(t) e^{-i \omega t} \left| 2p_x \right\rangle$$ Через некоторое время электрон полностью окажется в$\left| 2p_x \right\rangle$состояние. Ехать дальше на той же частоте$\omega$не увеличит свою энергию (как ожидается от гармонического осциллятора), а переведет ее обратно в основное состояние. Это согласуется с тем, как Эйнштейн описал стимулированное излучение в своей знаменитой статье 1917 года Zur Quantenttheorie der Strahlung , Phys. т. 18, 121—128 (1917) . В §2b) он писал:

Если резонатор Планка [атом] находится в поле излучения, энергия резонатора может быть изменена за счет передачи энергии от электромагнитного поля к резонатору; эта энергия может быть положительной или отрицательной в зависимости от фаз резонатора и осциллирующего поля.

Лучше любого словесного описания визуализация волновых функций, как этот апплет . Я получил довольно хорошее представление об этом процессе, просто наблюдая, как электрон проходит много циклов Раби .

Движение электрона само по себе создает электрическое поле, которое интерферирует с падающим лучом. На стороне передачи эта интерференция разрушительна, так что слабый, сильно сфокусированный пучок может быть полностью заблокирован .

Одиночный фотон

Поскольку один фотон содержит только конечное количество энергии, вам нужно позаботиться о его пространственном расширении. Обычно одиночные фотоны создаются другими атомами, которые в свободном пространстве излучают во всех направлениях. Для простоты не будем об этом заботиться и предположим, что нам удалось преобразовать его диаграмму излучения в гауссов пучок , сфокусированный на наблюдаемом нами атоме.
Временная огибающая фотона, созданного спонтанным излучением, представляет собой убывающую экспоненту, но вероятность возбуждения максимальна, когда она является возрастающей экспонентой. На самом деле, если фотон во времени и пространстве совпадает с обращенным во времени спонтанно испущенным фотоном, он будет поглощен с вероятностью$100\,\%$. В этом случае фотон полностью исчезает в момент окончания поглощения. $$\left| 1s \right\rangle_{\text{electron}} \left| 1 \right\rangle_{\text{photon}} \rightarrow \left| 2p_x \right\rangle_{\text{electron}} \left| 0 \right\rangle_{\text{photon}}$$ Более реалистичный случай состоит в том, что фотон не удовлетворяет предыдущим условиям и, следовательно, поглощается лишь частично, так что конечное состояние представляет собой суперпозицию поглощенного фотона и прошедшего мимо атома: $$\alpha \, \left| 1s \right\rangle_{\text{electron}} \left| 1 \right\rangle_{\text{photon}} + \beta \, \left| 2p_x \right\rangle_{\text{electron}} \left| 0 \right\rangle_{\text{photon}}$$ Можно повысить эффективность взаимодействия$\beta$для неидеальных форм фотонов путем помещения атома в подходящую среду, например, в полость .
Последняя суперпозиция может быть свернута измерением. Например, если вы поместите детектор после атома и обнаружите фотон, вы знаете, что он должен был пройти мимо атома. Поскольку атом и фотон запутались , это также влияет на состояние атома. Это будет полностью в$| 1s \rangle$ состояние тогда. В противном случае, если бы вы не обнаружили фотон (и нереально убедились, что неизбежно обнаружите его, если бы он был), атом оказался бы полностью в возбужденном состоянии.$| 2p_x \rangle$.

Вам нужен эксперимент по рассеянию "γ+водород", нейтральная цель.

Доступные энергетические уровни водорода имеют ширину , поэтому, если бы можно было провести эксперимент таким образом,$e^+e^-$эксперименты будут проведены, энергетические уровни появятся как резонансы к этому рассеянию.

Проблема в низких энергиях, эв, необходимых для сканирования области, я не думаю, что это можно сделать экспериментально.

Теоретически следует разработать метод теории поля диаграмм Фейнмана для прогнозирования данных с учетом доступных уровней энергии. Я нашел эту статью , так что люди работали в этом направлении.