http://phys.cersp.com/JCJF/sGz/JFTS/200609/1495_2.html 光与粒子相互作用中值得探讨和澄清的一些问题 作者：赵坚 文章来源：《物理教师》2006年第3期 点击数：316 更新时间：2006-9-16 1引言 最近在一篇文章中看到这样一个问题:处于定态E1的电子能不能吸收一定频率的光子跃迁到不是定态的某一位置E’（图1）呢？ 文章作者认为，这种跃迁是可能的理由是“在量子理论中，由于E’不是实际的能级称之为虚能级，实际的能级E1、E2称之为实能级。在虚能级E’与其附近的实能级E2之间的能量差值ΔE相差不大时，△E越大，从E1跃迁到E’的几率越小；△E越小从E1,跃迁到E’的几率越大；当△E =0时，从E1跃迁到E’A的几率最大。所以，处于定态E1的电子吸收一定频率的光子跃迁到虚能级E’是可能的。这种跃迁称之为虚跃迁。由此可知，处于定态E1的电子不仅可以吸收能量为E2-E1的光子，接近这一能量的光子也可以被吸收，只是几率小。所以，原子的吸收谱线不是一条线，而是有一定的宽度。在原子的多光子吸收和拉曼效应现象中也验证了电子的虚跃迁是可能的。” 另外，在一些中学教辅资料中笔者也发现，对诸如“处于基态的氢原子能否吸收11 eV的入射光子能量发生跃迁”、“处于基态的氢原子能否吸收11 eV的入射电子能量发生跃迁”等问题的解答也比较混乱。鉴于这类问题的存在，本文试在此作点探讨，以便澄清问题。 2 关于碰撞跃迁 所谓跃迁，指原子、分子从一个定态跃迁到另一个定态的过渡。定态之间的跃迁伴随着体系的能量改变，遵从能量守恒定律。吸收能量或放出能量以辐射形式进行的，称为辐射跃迁，否则为无辐射跃迁。无辐射跃迁是通过与其他粒子如原子、分子的碰撞来实现的，其中其他粒子的平动能转化为激发原子内部的能量，称为第一类碰撞；原子由高激发态跃迁到低激发态或基态，能量转移为其他粒子的平动能，称为第二类碰撞。辐射跃迁除了遵从能量守恒定律之外，还遵从一定的辐射跃迁的选择定则，而无辐射跃迁则不遵从这种选择定则。 选择定则表明，并不是所有能级之间的辐射跃迁都是可能的，只有遵从选择定则的能级之间的辐射跃迁才是可能的。 光的发射过程有两种，一是在没有外来光子的情况下，处在高能级的原子有一定的概率自发地向低能级跃迁，从而发出一个光子来，此过程叫做自发辐射过程。另一发射过程是在满足玻尔频率条件的外来光子的激励下高能级的原子向低能级跃迁，并发出另一个同频率的光子来，这过程叫做受激辐射。 光的吸收过程与受激辐射过程一样，都是在满足玻尔频率条件的外来光子的激励下发生的跃迁过程。所以吸收过程也叫受激吸收过程。 [1] [2] 下一页 光与粒子相互作用中值得探讨和澄清的一些问题 作者：赵坚 文章来源：《物理教师》2006年第3期 点击数：317 更新时间：2006-9-16 既然原子山」几发射或吸收光子而引起的跃迁是一种辐射跃迁，原子的辐射跃迁过程服从能量守恒，因此按照能量守恒要求，当原子在能级E1、E2之间跃迁时，必须以发射或吸收特定频率v光子的形式与电磁辐射场交换能量。光子的频率应满足玻尔频率条件：。另外，在原子与光子相互作用中，还要服从角动量守恒。此外，任何电磁相互作用过程都要求宇称守恒，其直接结果是对于单电子跃迁应符合选择定则，换言之，只有符合选择定则的允许跃迁才能发生。对于违背选择定则的禁戒跃迁，电偶极辐射跃迁被禁止，其他的跃迁过程，如原子间的碰撞跃迁、磁偶极辐射跃迁、多光子过程等当然是可以发生的。 据此可以得出，处于定态E1的电子只能吸收满足玻尔频率条件的特定频率的光子跃迁到另一定态，且跃迁应符合选择定则。 同时不难知道，处于基态的氢原子是不可能吸收11eV的入射光子能录而发生跃迁的，因为这样的跃迁是一种辐射跃迁；而处于基态的氢原子是能够吸收11eV的入射电子能量发生跃迁的，因为这样的跃迁是一种无辐射跃迁。 3 关于拉曼散射 前面提到拉曼效应现象，拉曼效应也称拉曼散射，它是1928年拉曼和曼杰利什塔姆在研究液体和晶体内的散射时，几乎同时发现散射光中除与入射光的原频率。0相同的瑞利散射线外，谱线两侧还有频率为w0士w1、w0士w2、……等散射线存在的现象。 但拉曼散射是有分子振动参与的光散射过程。分子能级之间的跃迁也遵从一定的选择定则，跃迁形成的光谱分为纯转动光谱、振动—转动光谱和电子光谱带。 在拉曼散射中，产生拉曼散射的跃迁不是两能级之间的直接跃迁，而是经一个虚能级中转。虚能级是一个量子概念，不是真实的能级，它位于某个实在的电子能级E下面一定的失谐量（能量差距）的地方，极不稳定，粒子在其上停留的时间极为短促。在拉曼散射中吸收入射光子的能量后，接着发射，由于存在超精细结构分裂，谱线中会出现伴线差别(分子转动能级等)，所以发射跃迁时不一定回到n=1能级，可跃到别处的虚能级。 由此可见，虚能级概念和电子的虚跃迁是可用于对多光子吸收和拉曼效应现象的解释，但用于解释玻尔原子能级跃迁问题显然是不妥的。 致谢!感谢与北京人学物理学院赵凯华先生进行的有益讨论。
