Почему атомы не испускают более одного фотона при переходе энергетического уровня?

Если вы посмотрите на спектр излучения атома, то увидите резкие линии, соответствующие переходу различных энергетических уровней. Это потому, что один фотон, испускаемый во время каждого перехода, несет всю энергию перехода.

Мой вопрос: как так получается, что всего один фотон переносит всю энергию? Почему иногда энергия не делится между двумя или более фотонами?

Я понимаю, как правила квантовой механики ограничивают энергетические состояния атома дискретным набором уровней, но я не понимаю, как они также ограничивают число производимых фотонов равным одному.

У меня такое ощущение, что квантовая электродинамика, а не сама квантовая механика, накладывает это ограничение.
Качественный ответ на этот вопрос мог бы касаться процесса двухфотонного поглощения второго порядка, который является обращенным во времени партнером двухфотонного излучения.
Как намекает @rob, многофотонные процессы - это вещь, просто очень подавленная вещь. Фактор 1 / α от дополнительной вершины — это только начало.
Вот комментарий, относящийся к двухфотонному излучению . Я также написал ответ , в котором исследуется механизм двухфотонного возбуждения.

Ответы (2)

Двухфотонное излучение действительно существует, иначе 2s-состояние водорода было бы стабильным. Вы можете получить довольно приличную оценку для такого рода скорости без всякой причудливой математики или физики, просто используя принцип неопределенности энергия-время. Типичная скорость излучения фотона, если она не запрещена четностью, равна р ∼ 10 9   с − 1 . Мы можем думать о двухфотонном распаде как о несохраняющем энергию прыжке вверх к некоторому более высокому энергетическому состоянию с испусканием фотона, за которым следует испускание второго фотона, ведущего вниз к основному состоянию. Первый скачок может произойти из-за соотношения неопределенности энергия-время, которое позволяет электрону оставаться в промежуточном состоянии в течение времени t ∼ h/E, что порядка 10 − 15 с. Вероятность испускания второго фотона за это время равна р т , поэтому скорость всего двухфотонного процесса равна р 2 т ∼ 10   с − 1 . Учитывая чрезвычайно грубый характер этого расчета, результат хорошо согласуется с наблюдаемой скоростью около 0,1   с − 1 для двухфотонного распада состояния 2s в водороде.

Это имеет смысл, но почему мы должны думать о двух прыжках, если хотим получить два фотона? Почему каждый прыжок сам по себе не может излучать два или более фотона, если все энергии правильно складываются?
«Мы можем думать о двухфотонном распаде как о несохраняющем энергию прыжке в некое более высокоэнергетическое состояние с испусканием фотона [...]» А? Прыгать «вверх», но при этом излучать фотон???
@Gert Выше по отношению к основному состоянию.
@ Герт: А? Прыгать «вверх», но при этом излучать фотон??? Это не экономия энергии. Он не может перепрыгнуть в какое-то третье состояние, потому что единственное другое состояние ниже него — это основное состояние.
Это имеет смысл, но почему мы должны думать о двух прыжках, если хотим получить два фотона? Почему каждый прыжок сам по себе не может излучать два или более фотона, если все энергии правильно складываются? QED имеет вершины только с тремя линиями, а не с четырьмя.
QED имеет вершины только с тремя линиями, а не с четырьмя. Это больше тот ответ, который я искал. Не могли бы вы рассказать подробнее? Я понимаю, что это утверждение о диаграммах Фейнмана, но я не знаю, как можно смоделировать что-то вроде атомарного перехода, используя диаграммы Фейнмана.
@IanH: Мой ответ - «низкотехнологичный» ответ, который можно было бы написать ок. 1927. Он не использует реальную квантовую теорию поля. Но если вы хотите визуализировать это с точки зрения диаграмм Фейнмана, диаграмма будет выглядеть как электрон, испускающий фотон, а затем испускающий еще один фотон. Линия, соединяющая эти две вершины, представляет электрон в каком-то другом состоянии, нарушающем закон сохранения энергии. (Чтобы процесс пошел, нужно еще и взаимодействие с ядром, что усложнило бы схему.)
@IanH Согласны ли вы с тем, что электрон, связанный с атомом, не может иметь произвольную энергию и что два электрона не могут иметь одно и то же состояние (одинаковые квантовые числа в системе)? Если это так, подумайте о проблеме так: электрон может испускать или поглощать только один фотон за раз (даже если вы ожидаете, что он может испускать два фотона за раз, это было бы гораздо менее вероятным и, следовательно, практически незначительным). Он не может выпустить (или поглотить) фотон, который не соответствует другому допустимому состоянию — ему нужно двигаться либо вниз (если эти состояния свободны), либо вверх. Двигаться вниз легко; [...]
@IanH Но часто электрон не может занять нижние состояния (благодаря этому механизму электроны обычно по умолчанию занимают самое нижнее состояние). Таким образом, если вакансий нет, единственный способ для электрона испустить фотон — это двигаться вверх . Но это означает, что вам нужно откуда-то взять энергию (и, конечно, это уже означает, что такое маловероятно); у свободных электронов есть много возможных энергетических состояний на «выбор» (они поглощают и испускают фотоны за счет ускорения, которое все еще квантуется, но во многом так же, как и сами фотоны), но вам нужно [...]
@IanH сначала электроны из системы электрон-атом. Но система существует в первую очередь потому, что у нее меньше энергии, чем у несвязанных электронов и образовавшегося в результате иона. Вам нужно добавить много энергии к «свободным» электронам. Эта энергия должна откуда-то поступать — если бы ее не было, вы могли бы построить таким образом источник бесплатной энергии.

Другой формой двухфотонной эмиссии является двухфотонно-возбуждаемая флуоресценция.

Двухфотонное поглощение - это поглощение двух фотонов молекулой для возбуждения из основного состояния в возбужденное состояние.

Двухфотонное поглощение может привести к двухфотонно-возбуждаемой флуоресценции, когда возбужденное состояние, создаваемое TPA, распадается за счет спонтанного излучения в состояние с более низкой энергией.

введите описание изображения здесь

Сначала происходит двухфотонное поглощение, затем безызлучательная девозбуждение и флуоресцентное излучение. Электрон возвращается в основное состояние путем другого безызлучательного девозбуждения.

https://en.wikipedia.org/wiki/Двухфотонное_поглощение

Теперь вы спрашиваете о двухфотонном излучении, а фосфоресценция — это тип многофотонного излучения, при котором поглощенная энергия высвобождается в результате испускания множества фотонов.

Фосфоресценция - это тип фотолюминесценции, связанный с флуоресценцией. В отличие от флуоресценции, фосфоресцирующий материал не сразу повторно излучает поглощенное им излучение. Более медленные временные масштабы переизлучения связаны с «запрещенными» переходами энергетического состояния в квантовой механике. Поскольку в некоторых материалах эти переходы происходят очень медленно, поглощенное излучение повторно излучается с меньшей интенсивностью в течение нескольких часов после первоначального возбуждения.

https://en.wikipedia.org/wiki/Фосфоресценция

Двухфотонная эмиссия (стимулированная) возможна полупроводниками.

Мы сообщаем о первых экспериментальных наблюдениях двухфотонной эмиссии полупроводников, насколько нам известно, и развиваем соответствующую теорию для процесса при комнатной температуре. Спонтанное двухфотонное излучение продемонстрировано в объемном GaAs с оптической накачкой и в квантовых ямах GaInP/AlGaInP с электрическим приводом.

https://arxiv.org/abs/quant-ph/0701114

Стимулированное излучение также будет примером многофотонного излучения, если мы включим случаи, когда один или несколько фотонов также поглощаются, верно?
@правильно, как однократно стимулированное двухфотонное излучение в полупроводниках.
Да, только что увидел редактирование после публикации комментария: P
Я думаю, что этот вопрос касается одновременного испускания двух фотонов при одном переходе, а не каскада однофотонных переходов через четко определенные состояния. Фосфоресценция - последнее; задержка наступает, когда одно состояние в каскаде имеет большее время жизни, чем другие.
@rob может быть (тогда вопрос не конкретный), но полупроводниковый, как вы говорите, одновременен.
Небольшой комментарий: пожалуйста, дайте ссылку на абстрактные страницы arXiv, а не на PDF-файлы. См. физику.meta.stackexchange.com/q/ 11400/44126.
почему минус?
Почему атомы не испускают более одного фотона при переходе энергетического уровня?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v