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量子跃迁中的选择定则
张扬威
(华中师范大学物理学院2008 级基地班,武汉,430079 )
摘 要 本文根据量子跃迁过程中遵从的角动量守恒和宇称守恒运用量子化
概念,推导出电偶极近似条件下,在不同的外场中单电子原子以及多电子原子 辐
射跃迁时的选择定则,并结合具体实例,说明这些规律的实质。
关键词 辐射跃迁 选择定则 角动量守恒 宇称守恒 原子态 电偶极近似
1 、 引言
推微观粒子在不同的量子化状态间变化,称为跃迁。跃迁有很多种,不同跃
迁遵从不同的跃迁选择定则。原子辐射跃迁的选择定则是原子能级之间发生跃迁
所满足的条件,它对于研究光的吸收和发射具有很重要的意义。由于电偶极矩跃
迁强度比其它形式的跃迁强度大很多( 5 8 倍),原子的辐射跃迁选择定则
10 ~ 10
是指电偶极辐射跃迁选择定则。它是从大量光谱的观察分析和研究中总结出来
的,本文则运用量子力学的理论对它进行推导研究。
2、 入射光为单色偏振光
引入周期性微扰下的跃迁概率的基本知识:
设微扰 Hamilton 算符为(式中为与无关的厄米算符)
∧ ∧ ∧
H 0(t =0)或 A cosωt F (eiωt =+e−iωt )(t ≥0) (1)
体系在t 0 处于ϕn (0) 态,t t 跃迁到ϕm (0) 态的概率为
2 2π 2
W a t F δ E (0) −E (0) ±hω (2 )
n→m m ( ) mn ( m n )
h
若该单色偏振光是沿 x 轴 方向传播,偏振方向沿 z 轴,在电偶极近似条件下,它的电场为
ε ε cosωt ε 0 ε 0 (3 )
z 0 x y
r
电子的电偶极矩为 D =−er =−ex (4 )
∧
uvr ezε0 iωt −iωt
H Dε ezε ezε ωt e e
微扰作用势为 =− z 0 cos ( + ) (5 )
2
∧ ezε
对比(1)式可得 F 0 (6 )
2
2 2
πe ε 2
带入(2 )式可得 W 0 z δ( E (0) =−E (0) ±hω) (7 )
n→m 2h mn m n
由(7 )式可以得出,原子能否由n 态跃迁到 m 态,决定于电子位矢的 z 分量在这两个态之
间的矩阵元 z 是否为零。只有 z ≠0 时,这两个定态之间才能发生跃迁。为此我们来
mn mn
计算z
mn
假定电子是在由心力场中运动,如氢原子和碱金属原子中的电子那样,这时电子的波函
数为
m ϕ
ψ R (r )Y (θϕ, ) R (r )
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