Phổ quang học và các quy tắc chọn lọc

Phổ quang học phát sinh từ các chuyển đổi bức xạ giữa các mức năng lượng nguyên tử, và các quy tắc chọn lọc—được suy ra từ sự bảo toàn mômen động lượng và tính chẵn lẻ—xác định những chuyển đổi nào được phép và độ mạnh của chúng.

Definition

Phổ quang học là tập hợp các bước sóng rời rạc mà một nguyên tử phát ra hoặc hấp thụ khi các electron thực hiện các chuyển đổi giữa các mức liên kết; các quy tắc chọn lọc là các điều kiện về số lượng tử, xuất phát từ tính đối xứng của toán tử chuyển đổi, xác định liệu một chuyển đổi nhất định có được phép hay không.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự tương tác của nguyên tử với ánh sáng: phát xạ tự phát và kích thích, hấp thụ, các hệ số Einstein, mômen lưỡng cực chuyển tiếp và cường độ dao động, cùng các quy tắc chọn lọc lưỡng cực điện trên các số lượng tử mômen động lượng quỹ đạo, spin và tổng. Nó cũng đề cập đến cường độ vạch phổ, thời gian sống, và sự phân biệt giữa các chuyển đổi được phép và bị cấm, cung cấp mối liên hệ giữa cấu trúc nguyên tử và phổ quan sát được.

Core questions

• Quá trình vật lý nào tạo ra một vạch phổ, và điều gì quyết định cường độ của nó?
• Sự hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích có mối liên hệ như thế nào?
• Những thay đổi nào trong số lượng tử được phép trong một chuyển đổi lưỡng cực điện, và tại sao?
• Điều gì phân biệt một chuyển đổi bị cấm với một chuyển đổi được phép?

Key concepts

• Phát xạ tự phát và kích thích
• Hấp thụ và các hệ số Einstein
• Mômen lưỡng cực chuyển tiếp
• Cường độ dao động và cường độ vạch phổ
• Các quy tắc chọn lọc về tính chẵn lẻ và mômen động lượng
• Chuyển đổi được phép so với chuyển đổi bị cấm

Key theories

Các hệ số Einstein

Einstein đã giới thiệu các hệ số A và B liên quan đến tốc độ phát xạ tự phát, phát xạ kích thích và hấp thụ, cố định tỷ lệ của chúng từ trạng thái cân bằng nhiệt với bức xạ vật đen và dự đoán phát xạ kích thích hàng thập kỷ trước khi laser ra đời.

Các quy tắc chọn lọc lưỡng cực điện

Việc đánh giá phần tử ma trận lưỡng cực chuyển tiếp cho thấy các chuyển đổi lưỡng cực điện được phép yêu cầu Δl = ±1, Δm = 0, ±1, ΔS = 0, và một sự thay đổi tính chẵn lẻ, phản ánh sự bảo toàn mômen động lượng được mang bởi photon.

Clinical relevance

Các quy tắc chọn lọc và cường độ chuyển đổi là nền tảng của quang phổ định lượng được sử dụng để xác định và đo lường các nguyên tố trong các mẫu phòng thí nghiệm và thiên văn, thiết kế đèn và laser, và các chuyển đổi bị cấm siêu bền đóng vai trò là tham chiếu trong các đồng hồ nguyên tử quang học chính xác nhất.

History

Tính rời rạc của các vạch phổ đã được lập danh mục bằng phương pháp quang phổ trong suốt thế kỷ XIX, nhưng cường độ của chúng phải chờ đợi lý thuyết. Bài báo về bức xạ năm 1917 của Einstein đã giới thiệu các hệ số liên kết phát xạ và hấp thụ, và sự phát triển của cơ học lượng tử cùng lý thuyết bức xạ của Dirac vào cuối những năm 1920 đã suy ra các quy tắc chọn lọc từ tính đối xứng của toán tử chuyển đổi.

Key figures

• Albert Einstein
• Paul Dirac
• Werner Heisenberg

Seminal works

• einstein1917
• bransden2003

Frequently asked questions

Một chuyển đổi bị cấm có bao giờ xảy ra không?

Không. 'Bị cấm' có nghĩa là bị cấm ở bậc hàng đầu (lưỡng cực điện). Các chuyển đổi như vậy vẫn có thể xảy ra thông qua các cơ chế lưỡng cực từ hoặc tứ cực điện yếu hơn nhiều, tạo ra các trạng thái có thời gian sống rất dài mà các vạch hẹp của chúng được đánh giá cao trong quang phổ chính xác.

Tại sao một chuyển đổi lưỡng cực điện yêu cầu một sự thay đổi tính chẵn lẻ?

Toán tử lưỡng cực là lẻ dưới phép nghịch đảo không gian, do đó tích phân xác định cường độ chuyển đổi sẽ bằng 0 trừ khi trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng có tính chẵn lẻ đối ngược; đây là nguồn gốc của quy tắc Laporte.