原子電子遷移
ボーア模型の原子における電子は、量子準位n = 3からn = 2に移動し、光子を放出します。電子のエネルギーは、原子の周りの軌道によって決まります。n = 0軌道は、一般的に基底状態と呼ばれ、系内のすべての状態の中で最も低いエネルギーを持ちます。

原子物理学および化学において、原子電子遷移（原子遷移、量子ジャンプ、量子飛躍とも呼ばれる）とは、原子[ 1 ]または人工原子[ 2 ]内における電子があるエネルギー準位から別のエネルギー準位に遷移することである。これらのエネルギー準位は離散的かつ量子化されており、特定の原子に固有のエネルギーギャップを得る。エネルギー分散型X線分光法（EDS）とX線光電子分光法（XPS）は、これらが網羅的ではないものの、固有の量子化されたエネルギー準位によって得られる原子電子遷移の「原子指紋」現象を用いて、サンプル内の原子の存在と相対的な組成を特定する多くの特性評価技術の一部である。[ 3 ]

電子は、光子の形で電磁放射を放出することで、より低いエネルギー状態に緩和することができます。また、電子は通過する光子を吸収し、より高いエネルギー状態に励起することもできます。電子の初期状態と最終状態の間のエネルギー差が大きいほど、光子の波長は短くなります。[ 4 ]

歴史

デンマークの物理学者ニールス・ボーアは1913年に初めて電子が量子ジャンプを行うことができるという理論を立てました。[ 5 ]その後まもなく、ジェームズ・フランクとグスタフ・ルートヴィヒ・ヘルツは 原子が量子化されたエネルギー状態を持っていることを実験的に証明しました。 [ 6 ]

量子ジャンプの観測可能性は1975年にハンス・デメルトによって予測され、 1986年にハンブルク大学でバリウムのトラップされたイオンとNISTで水銀のトラップされたイオンを使って初めて観測されました。[ 4 ]

理論

原子は振動する電場と相互作用します。

振幅、角周波数、偏光ベクトルである。[ 7 ]実際の位相は である点に注意されたい。しかし、多くの場合、 の変化は原子上で小さい（あるいは、放射の波長が原子の大きさよりもはるかに大きい）ため、この項は無視できる。これは双極子近似と呼ばれる。原子は放射によって生成される 振動磁場とも相互作用するが、その強度ははるかに弱い。|E0|{\displaystyle |{\textbf {E}}_{0}|}ω{\displaystyle \omega }e^rad{\displaystyle {\hat {\textbf {e}}}_{\mathrm {rad} }}(ωt−k⋅r){\displaystyle (\omega t-{\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}})}k⋅r{\displaystyle {\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}}}

この相互作用のハミルトニアンは、電場中の古典的双極子のエネルギーに類似しており、 である。誘導遷移率は時間依存摂動論を用いて計算できるが、その結果はフェルミの黄金律を用いて要約できる。 双極子行列要素は、動径積分と角積分の積に分解できる。原子遷移の 選択則が満たされない 限り、角積分はゼロである。HI=er⋅E(t){\displaystyle H_{I}=e{\textbf {r}}\cdot {\textbf {E}}(t)}Rate∝|eE0|2×|⟨2|r⋅e^rad|1⟩|2{\displaystyle Rate\propto |eE_{0}|^{2}\times |\langle 2|{\textbf {r}}\cdot {\hat {\textbf {e}}}_{\mathrm {rad} }|1\rangle |^{2}}

電磁放射相互作用

電子をより高いエネルギー準位に励起するためには、入射光子または放射力が原子に入射して吸収され、所定のより高いエネルギー準位への遷移を完了するのに必要なエネルギーを正確に有する電子に衝突する必要がある。原子の量子化されたエネルギー準位間のエネルギーギャップは、紫外線（UV）およびX線放射と同じスケールである。したがって、エネルギー準位間のギャップは数百ナノメートル以下のオーダーであると理解できる。フランク・コンドン原理によれば、原子核の運動は電子の運動に比べてはるかに遅いため、電子遷移は線形に起こり、入射放射のエネルギーがエネルギーギャップと等しく、かつ初期波動関数と最終波動関数の確率が大きく重なり合う場合にのみ、エネルギー準位への励起が生じる。このような電子励起を調べるために、UVおよびX線波長のレーザーを使用することができる。[ 3 ]量子ジャンプの時間スケールは実験的に測定されていない。しかし、フランク・コンドン原理は、このパラメーターの上限をアト秒のオーダーに拘束する。[ 8 ]

電子を励起するにはエネルギーが系（原子）に流入し吸収される必要があるのと同様に、電子が低いエネルギー準位に緩和する際には、放射放出または非放射放出が発生します。その後に生じる放射放出もナノメートルオーダーであり、様々な方法で検出できます。[ 3 ]

電子遷移に電磁放射を利用する技術

  • 紫外可視分光法- 可視光および／または紫外線を試料に照射し、その内容物を調べます。透過した光の強度（透過率）または透過しなかった光の強度（吸光度）を検出し、スペクトル上にプロットします。[ 9 ]
  • エネルギー分散型X線分光法- 高エネルギー電子ビームを試料に照射し、原子核の電子殻から電子を放出します。電子が空孔を埋めるために低いエネルギー準位に落ちる際に、原子に特有のX線が放出されます。EDSは、試料の組成を元素ごとに特定するために用いられる一般的な分析法です。[ 10 ]
  • X線光電子分光法- 入射X線を用いて試料表面の電子を励起する。表面から放出された電子のエネルギーと存在比を検出する。原子によって結合エネルギーが異なるため、この手法は合成材料の元素組成の決定にも利用できる。[ 11 ]

最近の発見

2019年には、 15mKの読み出し共振器空洞内に配置された2つの強く混成したトランスモン量子ビットからなる超伝導人工原子を用いた実験で、いくつかのジャンプの発展は連続的、コヒーレント、決定論的、可逆的であることが実証されました。[ 12 ]一方、他の量子ジャンプは本質的に予測不可能です。[ 13 ]

参照

参考文献

  1. ^ショーンバート、ジェームズ。「量子物理学」オレゴン大学物理学部
  2. ^ Vijay, R; Slichter, D. H; Siddiqi, I (2011). 「超伝導人工原子における量子ジャンプの観測」. Physical Review Letters . 106 (11) 110502. arXiv : 1009.2969 . Bibcode : 2011PhRvL.106k0502V . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.110502 . PMID  21469850. S2CID  35070320 .
  3. ^ a b cマックァリー, ドナルド A.; サイモン, ジョン D. (200).物理化学：分子論的アプローチ. カリフォルニア州サウサリート: Univ. Science Books. ISBN 978-0-935702-99-6。{{cite book}}: ISBN / Date incompatibility (help)
  4. ^ a b Itano, WM; Bergquist, JC; Wineland, DJ (2015). 「単一原子におけるマクロ的量子ジャンプの初期観測」(PDF) . International Journal of Mass Spectrometry . 377 : 403. Bibcode : 2015IJMSp.377..403I . doi : 10.1016/j.ijms.2014.07.005 .
  5. ^ Gleick, James (1986年10月21日). 「物理学者、ついに量子飛躍を自分の目で確認」 .ニューヨーク・タイムズ. ISSN 0362-4331 . 2021年12月6日閲覧。 
  6. ^ 「フランク・ヘルツの実験 | 物理学 | ブリタニカ」www.britannica.com . 2021年12月6日閲覧。
  7. ^ Foot, CJ (2004).原子物理学. オックスフォード大学出版局. ISBN 978-0-19-850696-6。
  8. ^ de la Peña, L.; Cetto, AM; Valdés-Hernández, A. (2020年12月4日). 「量子ジャンプの速度はどれくらいか？」 . Physics Letters A. 384 ( 34) 126880. arXiv : 2009.02426 . Bibcode : 2020PhLA..38426880D . doi : 10.1016/j.physleta.2020.126880 . ISSN 0375-9601 . 
  9. ^ 「UV-Visible Spectroscopy」 . www2.chemistry.msu.edu . 2025年12月9日閲覧。
  10. ^ 「識別および分析方法」、有機反応触媒のための異種マイクロおよびナノスケール複合材料、エルゼビア、pp.  33-51、2022年1月1日、 2025年12月9日閲覧。
  11. ^ 「X線光電子分光法」 .方法. 2025年12月9日閲覧。
  12. ^ミネフ、ZK;ソーダ州ムンダダ。シャンカール、S.ラインホルト、P.グティエレス＝ジャウレギ、R.ショールコップ、RJ。ミラヒミ、M.ホーチミン州カーマイケル。ミネソタ州デボレ（2019年6月3日）。 「飛行中に量子ジャンプをキャッチして逆転すること」。自然。570 (7760 ) : 200–204。arXiv : 1803.00545 。Bibcode : 2019Natur.570..200M。土井：10.1038/s41586-019-1287-z。PMID 31160725。S2CID 3739562。  
  13. ^ Snizhko, Kyrylo; Kumar, Parveen; Romito, Alessandro (2020年9月29日). 「量子ゼノン効果は段階的に現れる」 . Physical Review Research . 2 (3) 033512. arXiv : 2003.10476 . Bibcode : 2020PhRvR...2c3512S . doi : 10.1103/PhysRevResearch.2.033512 . S2CID 214623209 . 
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