انتقال الإلكترون الذري

في الفيزياء والكيمياء الذرية ، يُعرف انتقال الإلكترون الذري (ويُسمى أيضًا الانتقال الذري ، أو القفزة الكمومية ) بأنه انتقال الإلكترون من مستوى طاقة إلى آخر داخل الذرة ^{[ 1 ]} أو الذرة الاصطناعية ^{[ 2 ]} . تتميز مستويات الطاقة هذه بأنها منفصلة ومكممة، وتكتسب فجوات طاقة فريدة خاصة بكل ذرة. وعلى الرغم من أن هذه القائمة ليست شاملة، فإن مطيافية تشتت طاقة الأشعة السينية (EDS) ومطيافية الفوتونات الإلكترونية بالأشعة السينية (XPS) هما من بين العديد من تقنيات التوصيف التي تستخدم ظاهرة "البصمة الذرية" لانتقالات الإلكترون الذري الناتجة عن مستويات الطاقة الكمومية الفريدة لتحديد وجود الذرات وتركيبها النسبي داخل العينات ^{[ 3 ] .}

تستطيع الإلكترونات أن تسترخي إلى مستويات طاقة أقل عن طريق انبعاث إشعاع كهرومغناطيسي على شكل فوتون. كما يمكنها امتصاص الفوتونات المارة، مما يُثيرها إلى مستوى طاقة أعلى. وكلما زاد الفرق في الطاقة بين حالة الإلكترون الابتدائية والنهائية، قصر طول موجة الفوتونات . ^{[ 4 ]}

وضع الفيزيائي الدنماركي نيلز بور أول نظرية مفادها أن الإلكترونات يمكنها القيام بقفزات كمومية في عام 1913. ^{[ 5 ]} وبعد ذلك بوقت قصير، أثبت جيمس فرانك وجوستاف لودفيج هيرتز تجريبياً أن الذرات لها حالات طاقة كمومية. ^{[ 6 ]}

تم التنبؤ بإمكانية رصد القفزات الكمومية بواسطة هانز ديهملت في عام 1975، وتم رصدها لأول مرة باستخدام ^أيونات الباريوم المحصورة في جامعة هامبورغ والزئبق في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في عام 1986. [ ^{4 ]}

تتفاعل الذرة مع المجال الكهربائي المتذبذب :

${\displaystyle E(t)=|{\textbf {E}}_{0}|Re(e^{-i{\omega }t}{\hat {\textbf {e}}}_{\mathrm {rad} })}$

1

بسعة${\displaystyle |{\textbf {E}}_{0}|}$التردد الزاوي${\displaystyle \omega }$، ومتجه الاستقطاب${\displaystyle {\hat {\textbf {e}}}_{\mathrm {rad} }}$[ ^{7 ] لاحظ} أن المرحلة الفعلية هي${\displaystyle (\omega t-{\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}})}$ومع ذلك، في كثير من الحالات، يكون التباين في${\displaystyle {\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}}}$تكون قيمة صغيرة بالنسبة للذرة (أو بعبارة أخرى، يكون طول موجة الإشعاع أكبر بكثير من حجم الذرة)، ويمكن إهمال هذا الحد. يُعرف هذا بتقريب ثنائي القطب. يمكن للذرة أيضًا أن تتفاعل مع المجال المغناطيسي المتذبذب الناتج عن الإشعاع، وإن كان ذلك بشكل أضعف بكثير.

الهاميلتوني لهذا التفاعل، المشابه لطاقة ثنائي القطب الكلاسيكي في مجال كهربائي، هو${\displaystyle H_{I}=e{\textbf {r}}\cdot {\textbf {E}}(t)}$يمكن حساب معدل الانتقال المحفز باستخدام نظرية الاضطراب المعتمدة على الزمن ؛ ومع ذلك، يمكن تلخيص النتيجة باستخدام قاعدة فيرمي الذهبية : $${\displaystyle Rate\propto |eE_{0}|^{2}\times |\langle 2|{\textbf {r}}\cdot {\hat {\textbf {e}}}_{\mathrm {rad} }|1\rangle |^{2}}$$ يمكن تحليل عنصر مصفوفة ثنائي القطب إلى حاصل ضرب التكامل القطري والتكامل الزاوي. ويكون التكامل الزاوي صفراً ما لم تتحقق قواعد الاختيار للانتقال الذري.

لإثارة إلكترون إلى مستوى طاقة أعلى ، يجب أن يصطدم فوتون ساقط أو قوة إشعاعية بالذرة ويمتصها، ثم يصطدم بالإلكترون بطاقة كافية تمامًا لإتمام انتقاله إلى مستوى الطاقة الأعلى المطلوب. تكون فجوات الطاقة بين مستويات الطاقة الكمومية للذرات على نفس مقياس الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية؛ لذا، يمكن فهم أن هذه الفجوات في حدود مئات النانومترات أو أقل. ينص مبدأ فرانك-كوندون على أنه نظرًا لأن حركة النوى أبطأ بكثير من حركة الإلكترونات، فإن الانتقالات الإلكترونية تحدث بشكل خطي، ولن تؤدي إلى إثارة الإلكترون إلى مستوى طاقة معين إلا إذا كانت طاقة الإشعاع الساقط مساوية لفجوة الطاقة، وإذا كان احتمال تداخل دالتي الموجة الابتدائية والنهائية كبيرًا. يمكن استخدام أشعة الليزر ذات أطوال موجية فوق بنفسجية وأشعة سينية لدراسة هذه الإثارات الإلكترونية. ^{[ 3 ]} لم يتم قياس المقياس الزمني للقفزة الكمومية تجريبيًا. ومع ذلك، فإن مبدأ فرانك-كوندون يقيد الحد الأعلى لهذا المعامل برتبة الأتوثانية . ^{[ 8 ]}

كما أن الطاقة يجب أن تدخل إلى النظام (الذرة) وأن تُمتصّ من قِبَلها لإثارة الإلكترون، فإن الانبعاث الإشعاعي أو غير الإشعاعي يحدث عندما يسترخي الإلكترون إلى مستوى طاقة أدنى. ويبلغ الانبعاث الإشعاعي اللاحق أيضًا بضعة نانومترات، ويمكن رصده بطرق عديدة. ^{[ 3 ]}

في عام 2019، أظهرت تجربة أجريت على ذرة اصطناعية فائقة التوصيل تتكون من كيوبتين ترانسمون مهجنين بقوة، موضوعين داخل تجويف رنان للقراءة عند درجة حرارة 15  ملي كلفن ، أن تطور بعض القفزات يكون مستمرًا ومتماسكًا وحتميًا وقابلًا للانعكاس. ^{[ 12 ]} من ناحية أخرى، فإن قفزات كمومية أخرى غير قابلة للتنبؤ بطبيعتها. ^{[ 13 ]}

• شرودنغر، إروين (أغسطس 1952). "هل توجد قفزات كمومية؟ الجزء الأول" (ملف PDF) . المجلة البريطانية لفلسفة العلوم . 3 (10): 109-123 . doi : 10.1093/bjps/iii.10.109 .الجزء الثاني
• "لا توجد قفزات كمومية، ولا توجد جسيمات!" بقلم إتش دي زيه، رسائل الفيزياء A172 ، 189 (1993).
• بول، فيليب (5 يونيو 2019). "القفزات الكمومية، التي طالما اعتُبرت فورية، تستغرق وقتًا" . مجلة كوانتا . تم الاطلاع عليه في 6 يونيو 2019 .
• "البلازمون السطحي عند واجهة معدنية-عازلة مع طبقة انتقالية قريبة من الصفر إبسيلون" بقلم كيفن روكابريوري وآخرون، Physical Review B 103 ، L161404 (2021).