光谱与选择定则
光谱源于原子能级之间的辐射跃迁，而选择定则——源于角动量和宇称守恒——决定了哪些跃迁是允许的以及它们的强度。
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Definition
光谱是原子在电子于束缚能级之间跃迁时发射或吸收的一系列离散波长；选择定则是量子数上的条件，源于跃迁算符的对称性，决定了给定跃迁是否允许。
Scope
本主题涵盖原子与光的相互作用：自发辐射和受激辐射、吸收、爱因斯坦系数、跃迁偶极矩和振子强度，以及轨道、自旋和总角动量量子数上的电偶极选择定则。它还涉及谱线强度、寿命以及允许跃迁和禁戒跃迁之间的区别，从而建立了原子结构与观测光谱之间的联系。
Core questions
- 什么物理过程产生谱线，什么决定其强度？
- 吸收、自发辐射和受激辐射之间有何关系？
- 在电偶极跃迁中，量子数的哪些变化是允许的，为什么？
- 禁戒跃迁与允许跃迁有何区别？
Key concepts
- 自发辐射和受激辐射
- 吸收和爱因斯坦系数
- 跃迁偶极矩
- 振子强度和谱线强度
- 宇称和角动量选择定则
- 允许跃迁与禁戒跃迁
Key theories
- 爱因斯坦系数
- 爱因斯坦引入了A和B系数，关联了自发辐射、受激辐射和吸收速率，通过与黑体辐射的热平衡确定了它们的比率，并在激光出现前几十年预见了受激辐射。
- 电偶极选择定则
- 评估跃迁偶极矩阵元表明，允许的电偶极跃迁需要Δl = ±1, Δm = 0, ±1, ΔS = 0，以及宇称变化，这反映了光子携带的角动量守恒。
Clinical relevance
选择定则和跃迁强度是定量光谱学的基础，用于识别和测量实验室及天文样本中的元素，设计灯具和激光器，以及作为最精确光学原子钟参考的亚稳态禁戒跃迁。
History
光谱线的离散性在19世纪通过光谱学进行了编目，但其强度有待理论解释。爱因斯坦1917年的辐射论文引入了连接发射和吸收的系数，而量子力学和狄拉克辐射理论在20世纪20年代末的发展则从跃迁算符的对称性推导出了选择定则。
Key figures
- Albert Einstein
- Paul Dirac
- Werner Heisenberg
Related topics
Seminal works
- einstein1917
- bransden2003
Frequently asked questions
- 禁戒跃迁是否永不发生？
- 不是。“禁戒”意味着在主导（电偶极）阶次上被禁止。此类跃迁仍可通过弱得多的磁偶极或电四极机制进行，产生寿命很长的态，其窄线在精密光谱学中具有重要价值。
- 为什么电偶极跃迁需要宇称变化？
- 偶极算符在空间反演下是奇函数，因此定义跃迁强度的积分除非初始态和最终态具有相反的宇称，否则将消失；这是拉波特定则的起源。