电子得到能量后为什么不能长存在高能轨道,而要再释放能量到低能...
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发布时间：2024-08-19 21:15
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时间：2024-08-22 16:13
当电子吸收能量后，为何不能长久滞留高能轨道，而是要释放能量回到低能级？
这个问题充满了奇妙的物理奥秘，让我们通过量子力学的三个基本跃迁模式来探索：吸收、受激辐射和自发辐射，这些都是爱因斯坦理论的基石。
当一个光子击中电子，如果电子处于低能级，它会吸收光子，跃迁至高能级。反之，如果电子原本在高能级，它会辐射出与入射光子能量相同的光子，返回低能级，这就是受激辐射。两者发生的速率，理论上是平衡的，即一个体系中一半电子在低能级，一半在高能级，吸收和释放的光强度相等。
然而，热力学的原理提出了挑战。在热力学平衡状态下，低能级的电子数量多于高能级，这与玻尔兹曼分布（概率分布遵循的定律）不符。为了解决这一矛盾，爱因斯坦引入了自发辐射的概念，它仅从高能级向低能级跃迁，打破了原有的平衡。在教科书中，我们通过结合受激辐射的速率和玻尔兹曼分布推导自发辐射的速率，揭示了这一现象背后的机制。
自发辐射的出现揭示了电子无法长期滞留在高能级的真相，而这个过程背后的物理原理，却超出了量子力学的直观解释，需要量子场论的深入剖析。真空场的量子涨落是自发辐射产生的根源，这是一段超越初学者理解的深奥理论。
自发辐射的速率并非随意，它与辐射光的频率的三次方成正比，同时与两个能级间的跃迁矩的平方成正比。跃迁矩反映了两个能级之间发生跃迁的可能性，但并非所有能级间都能直接跃迁，存在跃迁禁阻。例如，氢原子中的电子从1s轨道到2p轨道是允许的，但不能直接到2s轨道，这是由角动量守恒定律决定的。
在某些情况下，电子在吸收能量后可能会停留在高能级，如磷光现象，这需要借助于其他过程，如碰撞或化学反应。激光技术就巧妙地利用了这些能级间的滞留效应。总的来说，电子获得能量后，无论是通过碰撞还是光子激发，它最终都会倾向于通过自发辐射回到低能轨道。
