量子跃迁

微观状态发生跳跃式变化的过程

量子跃迁，就是微观状态发生跳跃式变化的过程。

基本概念

由于微观粒子的状态常常是分立的，所以从一个状态到另一个状态的变化常常是跳跃式的。量子跃迁发生之前的状态称为初态，跃迁发生之后的状态称为末态。例如，电子在光的照射下从高能态放出一个光子而跃迁到低能态就是一种量子跃迁过程，称为原子的“受激辐射”。

主要定义

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。

量子跃迁发生之前的状态称为初态，跃迁发生之后的状态称为末态。例如，电子在光的照射下从高能态放出一个光子而跃迁到低能态就是一种量子跃迁过程，称为原子的“受激辐射”。不受到光的照射，处于激发态的原子也可能自动跃迁到低能态，同时放出一个光子，此过程称为“自发辐射”。在这些过程中放出或吸收的光子的能量等于电子的初态和末态两个能级之差，这是能量守恒定律在微观现象中的体现。此外在原子核和基本粒子现象中也存在许多量子跃迁现象，如原子核和基本粒子的衰变过程、聚变过程和裂变过程等。

重要特征

量子跃迁过程的重要特征是它的概率性。例如在自发跃迁过程中，若初态时有许多原子处于某一激发态，则跃迁过程的概率性表明人们无法预言其中某个原子自发跃迁到基态的确切时刻。或许有些原子跃迁发生得早些，而有些发生得迟些。所以每个原子停留在激发态的时间（称为激发态寿命）并不相同。但是对于大量某种原子来说，每一激发态寿命的平均值τ是一定的，可以通过实验测定，也可通过量子理论算出。 τ称为“平均寿命”，简称“寿命”。寿命的倒数1/τ称为“跃迁速率”，它特征是跃迁过程的快慢程度。原子的自发跃迁速率约为108秒-1～109秒 -1，激发态寿命约为10-8秒～10-9秒。高温下原子发光主要是原子内外层电子（价电子）自发跃迁的结果。放射性元素放出γ射线则是原子核自发跃迁的结果。量子跃迁是微观状态由于相互作用而产生的变化过程，这种过程应当满足各种守恒定律。因此跃迁前后描述初态和末态的物理量或量子数应满足一定的关系，这种关系称为“选择定则”。

跃迁规律

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>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。因此很难预测太阳耀斑会何时发生，强度会有多大。

量子跃迁的一个例子就是焰色反应。某些金属或它们的挥发性化合物在无色火焰中灼烧时使火焰呈现特征的颜色的反应.灼烧金属或它们的挥发性化合物时，原子核外的电子吸收一定的能量，从基态跃迁到具有较高能量的激发态，激发态的电子回到基态时，会以一定波长的光谱线的形式释放出多余的能量，从焰色反应的实验里所看到的特殊焰色，就是光谱谱线的颜色.每种元素的光谱都有一些特征谱线，发出特征的颜色而使火焰着色，根据焰色可以判断某种元素的存在。如焰色洋红色含有锶元素，焰色玉绿色含有铜元素，焰色黄色含有钠元素等.

自然界有无数的放射源：宇宙星体、太阳、地球上的海洋、山岭、岩石、土壤、森林、城市、乡村、以及人类生产制造出来的各种物品，凡在绝对零度（-273℃）以上的环境，无所不有地发射出不同程度的红外线。现代物理学称之为热射线。由能量守恒定律得知，宇宙的能量不能发生，也不会消失，只可以改变能量的方式。热能便是宇宙能量的一种，可以用放射（辐射）、传导和对流的方式进行转换。在放射的过程中，便有一部份热能形成红外线、白金线。光线大致可分为可见光及不可见光。可见光经三棱镜后会折射出紫、蓝、青、绿、黄、橙、红颜色的光线（光谱）。红光外侧的光线，在光谱中波长自0.76至1000微米的一段被称为红外光，又称红外线。

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