Вопрос из области квантовой электроники..

[Unmanner]

Доброго времени суток!

Собственно сам вопрос:

Почему в оптическом диапазоне длинн волн для измерения ширины линии можно использовать явление флуорисценции, а в радиодиапазоне - только вынужденное излучение или поглощение среды?

И отсюда судя по всему вытекает что нельзя сделать ОКГ с СВЧ накачкой, а как это можно объяснить?

[AndreyP]

ОКГ (оптический квантовый генератор) не получиться сделать.

"Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). "

В случае с флуоресценцией испускаемый квант света не будет когерентен возбуждающему.

"Спектр флуоресценции сдвинут относительно спектра поглощения в сторону длинных волн. Это явление получило название «Стоксов сдвиг». Его причиной являются безызлучательные релаксационные процессы. В результате часть энергии поглощенного фотона теряется, а испускаемый фотон имеет меньшую энергию, и, соответственно, большую длину волны"

"Флуоресце́нция — физический процесс, разновидность люминесценции. Флуоресценцией обычно называют излучательный переход возбужденного состояния с самого нижнего синглетного колебательного уровня S1 в основное состояние S0. В общем случае флуоресценцией называют разрешенный по спину излучательный переход между двумя состояниями одинаковой мультиплетности: между синглетными уровнями или триплетными . Типичное время жизни такого возбужденного состояния составляет 10−11−10−6 с. "

[Alex-Yu]

Unmanner в сообщении #389360 писал(а):

Почему в оптическом диапазоне длинн волн для измерения ширины линии можно использовать явление флуорисценции, а в радиодиапазоне - только вынужденное излучение или поглощение среды?

И отсюда судя по всему вытекает что нельзя сделать ОКГ с СВЧ накачкой, а как это можно объяснить?

Флуорисценцию в радиодиапазоне наблюдать практически невозможно. Время, в течение которого произойдет СПОНТАННОЕ излучение кванта (в среднем), измеряется десятками лет или что-то в этом роде (несложно посчитать для того или иного конкретного случая). В радиодиапазона можно наблюдать только вынужденное излучение квантовых систем. Что, кстати, нисколько не мешает и даже наоборот помогает создавать квантовые генераторы в радиодиапазоне. Только они называются не лазерами, а мазерами.


ОКГ (т.е. ОПТИЧЕСКИЙ квантовый генератор) при СВЧ накачке создать нельзя потому, что энергия кванта накачки должна быть больше энергии кванта излучения. Флуорисценция же тут абсолютно ни при чем. Так что ничего "отсюда" (как вы писали) не вытекает.

[Munin]

Alex-Yu в сообщении #389848 писал(а):

Время, в течение которого произойдет СПОНТАННОЕ излучение кванта (в среднем), измеряется десятками лет или что-то в этом роде (несложно посчитать для того или иного конкретного случая).

Может быть, всё-таки часами?

[Alex-Yu]

Munin в сообщении #389884 писал(а):

Может быть, всё-таки часами?

Во-первых смотря для каких переходов. Для ядерных (ЯМР) так там что-то вообще вроде как миллионы лет. Хотя это просто, но в уме не соображу что-то конкретную цифирь. А бумажку брать лениво:-)

Можно, в конце концов, чисто классически посчитать мощность излучения магнитного диполя порядка ядерного магнетона на частоте осцилляций в несколько мегагерц. А потом поделить энергию кванта на эту мощность. Это время спонтанных радиационных переходов и будет. Но всеже тут нужна ручка-бумажка:-(

Даже если я наврал на много порядков, то все равно спонанное излучение не увидеть. Тут не хватает даже не порядков, а порядков порядков порядков:-)

Следует, конечно, подчеркнуть, что речь о чисто радиационных переходах. Времена релаксации намного меньше за счет безрадиационных переходов с участием фононов вместо фотонов. Вот времена релаксации для ядерных спинов могут составлять от миллисекунд до нескольких минут, а в гелии -- часов. Но это безрадиационные переходы. Для электронных спинов намного быстрее, но все равно не достаточно для наблюдения флуоресценции. Ну разве что на самом пределе экспериментальных возможностей, быть может...

[Munin]

Alex-Yu в сообщении #389956 писал(а):

Для ядерных (ЯМР) так там что-то вообще вроде как миллионы лет.

Ну, ядро излучает намного хуже атома, это понятно: размер меньше, массы больше.

Alex-Yu в сообщении #389956 писал(а):

Даже если я наврал на много порядков, то все равно спонанное излучение не увидеть.

Ну, в астрономии видють. Хотя там огромные массы газа, так что становятся видны всякие экзотические редкости, типа 21 см линии, "линий небулия" (запрещённые переходы в ионах кислорода), и т. п.

[Alex-Yu]

Munin в сообщении #389963 писал(а):

Ну, в астрономии видють. Хотя там огромные массы газа, так что становятся видны всякие экзотические редкости, типа 21 см линии,

Что-то я запамятовал. Эти 21 см это сверхтонкий переход (ядерный спин по или против электронного спина в S-состоянии) или лэмбовское расщепление? Они там где-то рядом по частоте... Если лэмбовский, то сразу совсем другое дело: электродипольный переход вместо магнитодипольного.

[Munin]

Alex-Yu в сообщении #389967 писал(а):

Эти 21 см это сверхтонкий переход (ядерный спин по или против электронного спина в S-состоянии) или лэмбовское расщепление?

Первое.

Alex-Yu в сообщении #389967 писал(а):

Они там где-то рядом по частоте...

Надо вспомнить, из каких параметров они скомбинированы. В Лэмба входит радиус ядра, а в сверхтонкий?

Alex-Yu в сообщении #389967 писал(а):

Если лэмбовский, то сразу совсем другое дело: электродипольный переход вместо магнитодипольного.

Это даёт подавление в $\alpha$ раз, совсем мелочь по шкале порядков.

[Alex-Yu]

Munin в сообщении #389963 писал(а):

Ну, ядро излучает намного хуже атома, это понятно: размер меньше, массы больше.

А вообще этот вопрос сложнее. В конце-концов ядерный спин взаимодействует с электронной оболочкой, может быть косвенное взаимодействие с ЭМ полем через электроны. Вообще наверное было бы интересо это разобрать. Вопрос теоретически не сложный (для изолированного атома водорода, скажем), но вот какой будет ответ...

Пожалуй более правильный ответ такой: в радиодиапазоне безизлучательные переходы полностью подавляют излучательные. Просто они намного быстрее и возбуждение уходит в основном туда. Вот если сильно разреженный газ (астрономия)...

-- Ср дек 22, 2010 01:12:26 --

Munin в сообщении #389976 писал(а):

В Лэмба входит радиус ядра, а в сверхтонкий?

Разве? Вы ничего не путаете? Вроде там в основном это поляризация вакуума, знаменитая швингеровская диаграмма (треугольник). Лэмбовское расщепление это где-то 1400 с чем-то МГц, если мне не изменяет память. Как раз где-то там:-)

Сверхтонкий гамильтониан это произведение спинов на константу. Знаменитое контактное взаимодействие Ферми.

-- Ср дек 22, 2010 01:16:04 --

Alex-Yu в сообщении #389977 писал(а):

Разве? Вы ничего не путаете? Вроде там в основном это поляризация вакуума, знаменитая швингеровская диаграмма (треугольник).

Ой, нет. Это аномальный магнтный момент! Виноват, ошибся... А чего же главное в лэмбовском расщеплении... Поляризационная петля в фотоне? Вот же, вылетело из головы Скорее всего так, но не могу вспомнить. Хоть бери и тупо считай все эти вклады... Но может подскажет кто

[Munin]

Alex-Yu в сообщении #389977 писал(а):

Разве? Вы ничего не путаете? Вроде там в основном это поляризация вакуума, знаменитая швингеровская диаграмма (треугольник).

Конечно. Но потом она интегрируется с волновыми функциями электрона и ядра, где от диаграммы берётся пространственное расстояние между тем и другим. Волновая функция электрона в 2p-состоянии в районе ядра почти нуль, а в 2s-состоянии примерно константа, так что там интеграл определяется размером ядра, по сути. Кажется, Лэмбом прямо так размеры ядер и меряют...

Alex-Yu в сообщении #389977 писал(а):

Сверхтонкий гамильтониан это произведение спинов на константу. Знаменитое контактное взаимодействие Ферми.

И наверняка тоже на произведение двух волновых функций. Тогда неудивительно, что у них порядки близки.

Alex-Yu в сообщении #389977 писал(а):

Ой, нет. Это аномальный магнтный момент! Виноват, ошибся...

Нет, всё правильно, в Лэмбе тот же треугольник, плюс ещё какая-то поправка, в одних случаях одна перевешивает, в других другая. В Физ. энциклопедии написано.

[Alex-Yu]

Munin в сообщении #389987 писал(а):

И наверняка тоже на произведение двух волновых функций. Тогда неудивительно, что у них порядки близки.

Ну в некотором смысле действительно произведение волновых функций. Константа Ферми пропорциональна квадрату модуля пространственной волновой функции электрона на ядре.

-- Ср дек 22, 2010 01:39:40 --

Munin в сообщении #389987 писал(а):

Тогда неудивительно, что у них порядки близки.

Всеже нет, это случайность. В конце-концов представим себе условно, что магнитный момент ядра уменьшился в сто раз. Лэмбовское расщепление при этом не изменится. А сверхтонкое -- наоборот.

-- Ср дек 22, 2010 02:10:09 --

Alex-Yu в сообщении #389977 писал(а):

Лэмбовское расщепление это где-то 1400 с чем-то МГц,

Э, нет. Лэмбовское расщепление это 1058 МГц. Т.е. почти 30 см. Ясно, что 1400 МГц (21 см) это сверхтонкое расщепление. А вот какая диаграмма главная, я так и не нашел.

[Munin]

Alex-Yu в сообщении #389992 писал(а):

Всеже нет, это случайность. В конце-концов представим себе условно, что магнитный момент ядра уменьшился в сто раз. Лэмбовское расщепление при этом не изменится. А сверхтонкое -- наоборот.

Я смотрю не на конечный результат, а на множители, которые его составляют :-) Если один из множителей там и там одинаковый, и порядок у него большой - видимо, родство значений обусловлено именно им.

Как я понял, диаграммы там
и
причём в случае электрона вторая пренебрежима по сравнению с первой (и явно указана родственность с аномальным магнитным моментом электрона, а в случае мюона - наоборот. (P. S. Электрический ток у ядра и электрона направлен по-разному, но спохватился я поздно, и перерисовывать диаграммы было лень :-) )

[Alex-Yu]

Munin в сообщении #390052 писал(а):

Я смотрю не на конечный результат, а на множители, которые его составляют

Дык и я о том же. В одном случае от магнитного момента ядра зависит, в другом - нет. Это явления совершенно разной природы: магнитный момент ядра (!!!) не имеет ни малейшего отношения к КЭД. Во всяком случае на этом уровне не имеет отношения, здесь он просто феноменологический параметр.

-- Ср дек 22, 2010 06:43:18 --

Munin в сообщении #390052 писал(а):

причём в случае электрона вторая пренебрежима по сравнению с первой (и явно указана родственность с аномальным магнитным моментом электрона, а в случае мюона - наоборот.

Ну может быть... Что-то у меня вертелось в голове, что главное --- это поляризационная петля в фотоне. Модификация потенциала по сути. Интересно, а можно ли сообразить "на пальцах" что именно такое соотношение вкладов? Я не вижу как бы это можно было сделать, только тупо считать

[Munin]

Alex-Yu в сообщении #390120 писал(а):

Дык и я о том же. В одном случае от магнитного момента ядра зависит, в другом - нет.

Как же вы "о том же"? Я обращаю внимание на совпадающие множители, вы - на отличающиеся.

Alex-Yu в сообщении #390120 писал(а):

Это явления совершенно разной природы: магнитный момент ядра (!!!) не имеет ни малейшего отношения к КЭД. Во всяком случае на этом уровне не имеет отношения, здесь он просто феноменологический параметр.

Интересно, что по порядку он всё равно близок к единице (с учётом массы), так что предложенная вами ситуация "пусть он уменьшился в сто раз" несколько нереалистична.

Alex-Yu в сообщении #390120 писал(а):

Интересно, а можно ли сообразить "на пальцах" что именно такое соотношение вкладов? Я не вижу как бы это можно было сделать, только тупо считать

Может быть, можно, но я не умею :-(
Можно тупо посчитать, а потом сидеть над результатом, разбирать его по косточкам, и смотреть, что там за счёт чего получается, и в конечном счёте понять его структуру "на пальцах". Потом развить это в навык :-)

[Alex-Yu]

Munin в сообщении #390178 писал(а):

Интересно, что по порядку он всё равно близок к единице (с учётом массы), так что предложенная вами ситуация "пусть он уменьшился в сто раз" несколько нереалистична.

Ну почему же, заменим протон положительным пионом. Абслоютно физическая ситуация (хотя и трудно реализуемая экспериментально). Даже не в сто, а в бесконечное число раз получится У пиона магнитного момента нет. На лэмбовское расщепление это не повлияет.

Конечно, и то, и другое это ЭМ взаимодействие. Но сверхтонкое расщепление это КЭД на древесном уровне (если на языке КЭД), а лэмбовское расщепление -- петлевой эффект. В этом смысле (!) это явления разной природы.

Кстати именно поэтому сверхтонкое расщепление можно прекрасно описывать в рамках обычной КМ, не квантуя ЭМ поле. КТП на древесном уровне эквивалентна классической теории поля. Эта эквивалентность совсем очевидна на континуальном языке: конт. интеграл в главном приближении метода стационарной фазы (древесный уровень!) сводится к классическим уравнениям движения поля (минимуму действия). А вот лэмбовское расщепление так описать невозможно, принципиально нужны петли.