Создает ли сверхтонкий переход 9 192 631 770 Гц 9 192 631 770 фотонов в секунду или меньше?

Теперь это может означать, что при каждом отдельном переходе испускается один фотон, а это означает, что за одну секунду должно быть произведено ровно 9 192 631 770 фотонов.

Вы путаете частоту света и частоту переходных событий.

Частота$\nu$света, который$9\,192\,631\,770\;\mathrm{Hz}$здесь – число периодов ЭМ поля в данной точке в секунду. Он определяет энергию фотонов, генерируемых рассматриваемым переходом:$E=h\nu$.

Частота событий перехода, OTOH, представляет собой количество переходов в секунду, т. е. количество раз, когда состояние атома изменяется от состояния$A$констатировать$B$или наоборот. Эта величина, когда ее называют «частотой», не имеет четкого определения, потому что фотоны испускаются в случайные моменты времени, а не периодически. Было бы разумнее измерять количество таких случайных событий в секунду в беккерелях , а не в герцах, хотя эта единица на самом деле не используется ни для чего, кроме радиоактивных распадов.

Возможно, будет полезно отметить, что если частота перехода$f$, а полная излучаемая энергия равна$E$, то число испущенных фотонов равно$E/(h f)$где$h$есть постоянная Планка. Один возбужденный атом излучает только один фотон на пути к более низкому энергетическому состоянию любого данного перехода.

(Существуют гораздо более редкие процессы, когда испускаются два фотона, каждый с половинной частотой, но вопрос был не об этом.)

Если после этого атом оставить в покое, он больше не будет совершать переходов. Нет$1$в секунду, не$1$в час, не$1$в год, просто нет. Чтобы заставить его совершить еще один переход, вы должны снова возбудить его.

Время, необходимое атому для испускания электромагнитной волны при любом заданном переходе, само по себе может быть довольно большим, например, секундой или более, если переход имеет очень точно определенную частоту. Это может произойти, когда время жизни верхнего состояния велико, и это то, что вам нужно для тех переходов, которые используются в атомных часах. Здесь фотонная картина может сбивать с толку. Если частота точна с точностью до одного герца, то продолжительность процесса наверняка не менее одной секунды, потому что только импульс такой длительности может иметь такую ​​четко определенную частоту. Но процесс обнаружения фотонов может иметь и часто имеет гораздо более быструю временную шкалу, связанную с ним. По этой причине в атомных часах обычно не используются спонтанно испускаемые фотоны.

Арпад, иногда полезно использовать аналогии, чтобы лучше понять, что происходит. Следующее, о котором я говорю, предназначено только для лучшего воображения и не является единственно правильным объяснением.

1. Возбужденное состояние в атоме передается электрону импульсом. Он может исходить от другого электрона, который колеблется вокруг, или от падающего фотона. Колеблющийся электрон теряет энергию (фотон), а возбужденный получает ее. Чтобы оказаться в возбуждении, часть пришедшего импульса (от другого электрона или фотона) проглатывается, а остаточное значение выплевывается.
   Электрон теперь находится в метастабильном состоянии и возвращается в более стабильное состояние, испуская в большинстве случаев ровно один фотон. Этот фотон имеет одинаковую энергию в случае, если температура материала одинакова. В противном случае вся система имеет более высокое (более горячее) или более низкое (более холодное) энергетическое содержание, а переходы происходят через несколько отличающиеся друг от друга энергетические пакеты (фотоны).
   Воспринимайте это так: электрическое взаимодействие между ядром и электроном уменьшается. Все испускаемые фотоны на пути к устойчивому состоянию каждого электрона вокруг ядра снимают часть взаимодействия электрического поля и дискретное (единственно возможное) испускание фотонов заканчивается на некотором расстоянии и электрон стабилен.

2. Взаимодействие между электронами вокруг ядра определяется магнитными диполями электронов. Наилучшей стабильностью обладают благородные газы. Другие элементы имеют пары электронов, и поэтому их электрон (пары) более стабильны, чем у элементов с неспаренными электронами. Возьмем 5 электронов во внешней оболочке; пятый электрон нерешителен в отношении ориентации своего спина.

3. Чтобы наклонить спиновое состояние электрона, снова нужна энергия. Входящий импульс от фотона поглощается электроном (плюс высвобождая обратно ненужную энергию), спин переворачивается. Теперь понятно, почему сверхтонкий переход (обратно в более стабильное состояние) сопровождается испусканием фотона именно с наблюдаемой частотой.

Сравните мои пояснения в картинках, которые я нарисовал только для вашего лучшего понимания, с четырьмя правильными ответами. Есть ли общий перекресток?

Две вещи должны быть ясны. Фотоны производятся или поглощаются при изменении энергетических уровней, и все фотоны имеют спин 1, а их энергия определяется выражением$E=hν$где$E$разница в уровнях энергии.

У каждого атома есть свои энергетические уровни, даже если они помечены одними и теми же квантовыми числами, каждый уровень spdf характеризует атом. Единственное, что может нести фотон, — это энергия, разная для каждого атома, и ориентация спина, + или — направление его движения.

Так работают атомные часы

С 1967 года официальное определение секунды составляет 9 192 631 770 циклов излучения, которое заставляет атом элемента, называемого цезием, колебаться между двумя энергетическими состояниями.

Внутри цезиевых атомных часов атомы цезия направляются по трубке, где они проходят через радиоволны. Если эта частота равна 9 192 631 770 циклов в секунду, то атомы цезия «резонируют» и меняют свое энергетическое состояние.

Детектор на конце трубки отслеживает количество достигших его атомов цезия, которые изменили свое энергетическое состояние. Чем точнее настроена частота радиоволн до 9 192 631 770 циклов в секунду, тем больше атомов цезия достигает детектора.

Детектор передает информацию обратно в генератор радиоволн. Он синхронизирует частоту радиоволн с пиковым числом ударяющих по нему атомов цезия. Другая электроника в атомных часах считает эту частоту. Как и при одиночном колебании маятника, секунда отсчитывается, когда выполняется отсчет частоты.

Таким образом, это сложная комбинация атомно-физических переходов под действием миллиона фотонов, сталкивающихся с атомами цезия при правильной энергии . Фотоны излучаются и поглощаются, поскольку непрерывное поле радиоволн заполняет все. Насколько я понимаю, это эффект резонансного типа, который определяет второе. Лучшее описание здесь.

Но следует понимать, что люди не будут выбирать запрещенные переходы для изготовления часов!

Тот факт, что кто-то измеряет сверхтонкую структуру, означает, что была измерена разница в уровнях энергии. Если переход не запрещен, то будут выходить фотоны с малой энергией и некоторой вероятностью.

Частота, 9 192 631 770 Гц. вообще не относится к числу фотонов. Количество фотонов определяется количеством атомов, которые претерпевают этот переход. Вам нужно определить интенсивность излучаемого света, чтобы определить количество фотонов. Так что на ваш вопрос о количестве фотонов нет ответа. Сверхтонкий переход, скорее всего, излучает один единственный фотон с частотой 9 192 631 770 Гц. Образец цезия весом 133 грамма содержит около$10^{23}$атомы. Итак, сколько из них распадается за секунду, примерно соответствует количеству фотонов с частотой 9 192 631 770 Гц, которые производятся в секунду. Один переход чаще всего производит один фотон. 9 192 631 770 переходов производят около 9 192 631 770 фотонов.