Ancho de línea natural

El ancho natural de la línea espectral  es el ancho de la línea espectral de radiación de un sistema mecánico cuántico aislado .

Los sistemas cuánticos se describen por sus funciones de onda , cuyos módulos de amplitudes complejas disminuyen con bastante rapidez al aumentar la distancia al sistema; sin embargo, desde un punto de vista formal, nunca desaparecen. Así, un sistema aislado cuyas funciones de onda no se superponen con las funciones de onda de otros sistemas es, en términos generales, un concepto abstracto.

Los niveles de energía de los estados de tal sistema están cuantificados (discretos); sin embargo, del principio de incertidumbre se deduce que las líneas espectrales incluso de un sistema aislado tienen un ancho finito pero pequeño, es decir, son casi discretas. Este fenómeno se explica por la interacción del sistema con oscilaciones nulas de campos de vacío (por ejemplo, el campo electromagnético ).

Cualquier sistema mecánico cuántico excitado (es decir, no en el nivel de energía más bajo ) no puede estar en este estado durante un tiempo arbitrariamente largo. Después de un tiempo aleatorio, en promedio igual a la vida útil del estado, incluso en ausencia de interacción con otros sistemas, se produce una emisión espontánea (por ejemplo, un fotón , pero la radiación de otras partículas con una masa en reposo distinta de cero , por ejemplo , un electrón, también es posible). La emisión espontánea se debe a la interacción con las oscilaciones de punto cero de los campos cuánticos en el vacío físico . La mecánica cuántica muestra que la energía de un oscilador armónico es distinta de cero incluso en el estado fundamental, no excitado. La consecuencia de esta afirmación es [1] que el vacío se llena con pequeñas oscilaciones, llamadas de punto cero, de varios campos , incluido el electromagnético. La interacción con estos campos finalmente conduce a una transición espontánea del sistema al estado de energía fundamental o más subyacente y la emisión simultánea de un campo o un cuanto de partículas.

Del principio de incertidumbre se sigue que el ancho de línea natural está determinado por el tiempo de vida del estado excitado, es decir, por la intensidad de su interacción con el campo. Tal interacción, por regla general, es extremadamente pequeña; por ejemplo, para transiciones electromagnéticas permitidas en átomos e iones, se caracteriza por una estructura fina constante en el tercer grado.

Así, el ancho natural de la línea espectral es una consecuencia del principio de incertidumbre. En un caso particular pero importante en la práctica de la espectroscopia óptica , el ancho de línea natural suele ser del orden de una décima parte del ancho del límite de resolución teórico de los espectroscopios , debido al efecto Doppler debido al movimiento aleatorio de los átomos emisores en un gas.

El ancho de desintegración natural es de gran importancia en la física de altas energías , donde las estadísticas acumuladas de las mediciones de la energía de los productos de desintegración se pueden utilizar para calcular la vida útil de las partículas producidas en los aceleradores [2] .

El ancho natural de la línea espectral depende de los anchos de decaimiento de los estados inicial y final del sistema entre los cuales ocurre la transición. En el caso de decaimiento a un estado estable (es decir, un nivel con ancho de decaimiento cero), el ancho de línea natural coincide con el ancho de decaimiento del estado inicial. En el caso de que los anchos de ambos niveles sean finitos, el cuadrado del ancho natural de la línea es igual a la suma de los cuadrados de los anchos de los estados inicial y final.

Enlaces

Enciclopedia de Física y Tecnología

Literatura

Notas

  1. ↑ Tsipenyuk Yu. M. Energía cero y oscilaciones cero: cómo se detectan experimentalmente  // UFN . - 2012. - T. 182 . - S. 855-867 . - doi : 10.3367/UFNr.0182.201208e.0855 .
  2. ↑ Rod Nave Quantum Physics Archivado el 12 de noviembre de 2020 en Wayback Machine , HyperPhysics Project, Georgia State University.