量子躍遷

由於微觀粒子的狀態常常是分立的，所以從一個狀態到另一個狀態的變化常常是跳躍式的。量子躍遷發生之前的狀態稱為初態，躍遷發生之後的狀態稱為末態。例如，電子在光的照射下從高能態放出一個光子而躍遷到低能態就是一種量子躍遷過程，稱為原子的“受激輻射”。

其能量hv等於躍遷前後兩狀態的能量差。這是能量守恆定律在基元過程中的具體表現。即使不受光的照射，處於激發狀態的原子在電磁場真空（電磁場中一個光子也沒有的狀態）的作用下仍能躍遷到較低能級，同時放出一個光子，這稱為自發躍遷或自發輻射。

量子躍遷發生之前的狀態稱為初態，躍遷發生之後的狀態稱為末態。例如，電子在光的照射下從高能態放出一個光子而躍遷到低能態就是一種量子躍遷過程，稱為原子的“受激輻射”。不受到光的照射，處於激發態的原子也可能自動躍遷到低能態，同時放出一個光子，此過程稱為“自發輻射”。在這些過程中放出或吸收的光子的能量等於電子的初態和末態兩個能級之差，這是能量守恆定律在微觀現象中的體現。此外在原子核和基本粒子現象中也存在許多量子躍遷現象，如原子核和基本粒子的衰變過程、聚變過程和裂變過程等。

量子躍遷過程的重要特徵是它的概率性。例如在自發躍遷過程中，若初態時有許多原子處於某一激發態，則躍遷過程的概率性表明人們無法預言其中某個原子自發躍遷到基態的確切時刻。或許有些原子躍遷發生得早些，而有些發生得遲些。所以每個原子停留在激發態的時間（稱為激發態壽命）並不相同。但是對於大量某種原子來説，每一激發態壽命的平均值τ是一定的，可以通過實驗測定，也可通過量子理論算出。 τ稱為“平均壽命”，簡稱“壽命”。壽命的倒數1/τ稱為“躍遷速率”，它特徵是躍遷過程的快慢程度。原子的自發躍遷速率約為10⁸秒^-1～10⁹秒 ^-1，激發態壽命約為10^-8秒～10^-9秒。高温下原子發光主要是原子內外層電子（價電子）自發躍遷的結果。放射性元素放出γ射線則是原子核自發躍遷的結果。量子躍遷是微觀狀態由於相互作用而產生的變化過程，這種過程應當滿足各種守恆定律。因此躍遷前後描述初態和末態的物理量或量子數應滿足一定的關係，這種關係稱為“選擇定則”。

量子躍遷的規律有着明顯的幾率性，這是量子力學規律的根本特徵。以原子從激發態(能級E₂，波函數ψ₂)向基態 (E_1，ψ_1，E₁<E₂)的自發躍遷為例，設有大量（N個，N>>1）原子均處於激發態 ψ₂。無法預言某一個原子什麼時刻發生ψ₂→ψ₁的躍遷，有的原子發生得早，有的原子發生得遲，即各個原子停留在激發ψ₂態的時間(激發態壽命)不是整齊劃一的。但對大量原子來説，激發態(ψ₂)壽命的平均值 τ卻是一定的，可以由實驗加以測定，或由量子力學理論計算出來。平均壽命的倒數1/τ稱為躍遷速率，它表徵躍遷過程的快慢速度。原子自發躍遷的躍遷速率約為10⁸～10⁹秒^-1，激發態平均壽命約為10^-8～10^-9秒，幾千度高温下原子發光主要是外層電子(價電子)自發躍遷的結果，天然放射性中的γ射線則是原子核自發躍遷的產物。

量子力學計算表明，躍遷速率與外界作用勢V以及躍遷前後狀態（ψ₁，ψ₂）的性質有關，和所謂躍遷矩陣元<ψ₁|V|ψ₂>的絕對值次方成比例。當作用勢給定後，一般僅當標誌狀態ψ₁、ψ₂的量子數之間滿足一定關係時，躍遷矩陣元<ψ₁|V|ψ₂>才不等於0，躍遷得以發生。量子數之間的這種關係稱為選擇定則。不滿足選擇定則要求的兩個狀態之間不能發生躍遷（躍遷速率為0），或者説相應的躍遷是禁戒的。因此很難預測太陽耀斑會何時發生，強度會有多大。

量子躍遷的一個例子就是焰色反應。某些金屬或它們的揮發性化合物在無色火焰中灼燒時使火焰呈現特徵的顏色的反應.灼燒金屬或它們的揮發性化合物時，原子核外的電子吸收一定的能量，從基態躍遷到具有較高能量的激發態，激發態的電子回到基態時，會以一定波長的光譜線的形式釋放出多餘的能量，從焰色反應的實驗裏所看到的特殊焰色，就是光譜譜線的顏色.每種元素的光譜都有一些特徵譜線，發出特徵的顏色而使火焰着色，根據焰色可以判斷某種元素的存在。如焰色洋紅色含有鍶元素，焰色玉綠色含有銅元素，焰色黃色含有鈉元素等.

自然界有無數的放射源：宇宙星體、太陽、地球上的海洋、山嶺、岩石、土壤、森林、城市、鄉村、以及人類生產製造出來的各種物品，凡在絕對零度（-273℃）以上的環境，無所不有地發射出不同程度的紅外線。現代物理學稱之為熱射線。由能量守恆定律得知，宇宙的能量不能發生，也不會消失，只可以改變能量的方式。熱能便是宇宙能量的一種，可以用放射（輻射）、傳導和對流的方式進行轉換。在放射的過程中，便有一部份熱能形成紅外線、白金線。 光線大致可分為可見光及不可見光。可見光經三稜鏡後會折射出紫、藍、青、綠、黃、橙、紅顏色的光線（光譜）。紅光外側的光線，在光譜中波長自0.76至1000微米的一段被稱為紅外光，又稱紅外線。