Questa volta abbiamo cercato una curiosità scientifica :
So che la meccanica quantistica afferma che alcune cose, come portare un elettrone a un livello di energia più alto, richiede qualcosa come un fotone per avere la giusta energia per il elettrone a
accetta ' quel fotone e poi salire al livello di energia più alto.
Ma è sempre spiegato che deve essere esatto. Tipo, ESATTO esatto. Deve essere, diciamo 's, 10, 854. 7952 elettronvolt, che corrisponde a una frequenza di 12. 795832 GHz (ignora i valori effettivi, ho appena tirato fuori alcuni numeri dalla mia testa). È sempre spiegato che se fosse anche leggermente superiore o inferiore a quella quantità di energia, l'elettrone non 'essere eccitato da esso.
Bene, quali sono le probabilità che un fotone con quello il livello di energia molto molto MOLTO esatto sarebbe passato in un ragionevole lasso di tempo? So che i fotoni sono una piccola quantità di energia e ce ne sono un numero enorme tutto il tempo, ma comunque, sembra che un requisito così preciso sarebbe molto restrittivo e risulterebbe in quasi nessuna interazione tra le particelle e la forza EM.
Sembra che tutte le mie supposizioni possano 'essere proprio qui. Cosa mi manca?
Ed ecco le risposte degli esperti:
Esiste una relazione tra l'incertezza nell'energia di uno stato eccitato e la durata di quello stato. Questo crea la “larghezza di riga naturale” di una linea spettrale. L'ampliamento fondamentale di una linea spettroscopica che non può essere ridotta da alcun tipo di migliore progettazione dello spettrometro perché è dovuto solo al principio di indeterminazione di Heisenberg.
In sostanza, più breve è la durata di uno stato, meno precisa è l'energia di quello stato. Ma non importa quale sia, c'è sempre una certa ampiezza fondamentale nello spettro energetico.
Ci sono davvero alcune situazioni in cui l'energia del fotone in arrivo dovrebbe corrispondere abbastanza esattamente alla differenza di energia tra i due stati. L'esempio perfetto di questo è la spettroscopia di Mossbauer. Mi ha sbalordito quando ho scoperto questa tecnica e come funziona.
L'obiettivo della spettroscopia Mossbauer è eseguire il spettroscopia del nucleo di un atomo. Dal punto di vista della meccanica quantistica non fa differenza con la spettroscopia degli stati elettronici di un atomo (con luce regolare). Per fare la spettroscopia di un elemento (Fe per esempio) usi un altro atomo di Fe che ecciti (usando la radioattività). Poiché entrambi gli elementi sono esattamente uguali, il fotone emesso corrisponderà all'energia dello stato eccitato dell'atomo che vuoi sondare. Ma in realtà le due energie (dall'atomo emittente e dall'atomo ricevente) possono essere leggermente diverse a causa dell'ambiente chimico degli atomi, quindi l'idea di questa tecnica è di cambiare l'energia dei fotoni emessi spostando fisicamente gli atomi nel sorgente con un motore. Immagina che una velocità di pochi mm / s sia sufficiente per spostare l'energia dei fotoni in modo tale che l'interazione avvenga o no. Questa è una minuscola differenza di energia! Quindi tracciando il flusso di fotone che attraversa il campione ricevente con la velocità del campione emittente si ha lo spettro del campione.
Questo esempio mostra quanto deve essere precisa la corrispondenza energetica tra il fotone in arrivo e la differenza di energia tra due stati. Ora, tornando alla tua domanda, la risposta è che l'energia di una linea spettrale e quella di un fotone non sono mai perfettamente definite. Questo ha a che fare con il principio di indeterminazione di Heisenberg (delta_E x delta_T> (h_bar / 2)). Più a lungo può durare uno stato, minore è la larghezza della linea. E la precisione energetica di un fotone dipenderà dal tempo necessario per l'emissione di un fotone. Nel caso della transizione nucleare queste larghezze di linea possono essere estremamente ridotte a causa del fatto che il nucleo è ben isolato dal suo ambiente e i suoi stati quantistici possono rimanere coerenti per molto tempo.
Le persone hanno già sollevato il principio di incertezza tempo-energia e fornito buoni esempi. Vorrei aggiungere che uno dei miei maggiori scrupoli con il linguaggio introduttivo della meccanica quantistica è che è spesso sciatto (in qualche modo difficile non esserlo) in quanto dà questo malinteso di un pacchetto d'onda con una singola frequenza. È una proprietà fondamentale della teoria della trasformata di Fourier che una tale immagine di un'onda non ha alcun senso, cioè, se c'è una distribuzione finita dell'onda nel tempo o nello spazio, allora c'è una distribuzione finita rispettivamente in energia o quantità di moto. La pagina di Wikipedia sulle fonti a fotone singolo discute questa idea in una buona quantità di dettagli.
TLDR: il principio di indeterminazione di Heisenberg dice tu niente è esatto in pratica.
Il fatto è che non lo fai hanno bisogno di energie esatte per eccitare i livelli di energia. L'assorbimento è più forte vicino a un livello di energia, ma c'è un assorbimento più debole sopra e sotto di esso.
In pratica, tu può avere una divisione del livello che amplia artificialmente qualsiasi linea di assorbimento (ampliamento doppler, ampliamento della pressione, ecc.), ma anche ignorandoli, i livelli di energia hanno ampiezze di linea naturali a causa dell'incertezza energia-tempo.