Метастабильное состояние в квантовых системах. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Метастабильное состояние в квантовых системах - состояние с временем жизни (т), много большим характерного времени жизни возбуждённых состояний

атомной системы. Обычно ме-тастабильными считают возбуждённые состояния, из-лучательные (радиационные), переходы из к-рых в др. состояния запрещены строгими отбора правилами. Метастабильные состояния отличаются типом переходов, к-рые для них возможны: магн. дипольный, электрич. квадрупольный, двух-фотонный (см. Многофотонные процессы)и др. переходы.

Метастабильные состояния, для к-рых возможны магн. дипольные переходы, обычно представляет собой возбуждённую компоненту тонкой или сверхтонкой структуры осн. состояния. Классич. примером является состояние, соответствующее компоненте сверхтонкой структуры уровня 1S_1/2 атома H с полным моментом

Радиолиния 21 см, возникающая при переходе из этого состояния, играет фундам. роль в совр. радиоастрономии и оптических стандартах частоты.

Типичные метастабильные состояния, для к-рых возможны электрич. квад-рупольные квантовые переходы,- возбуждённые состояния ¹S и ¹D в конфигурациях р² и р⁴, а также ²P и ²D в конфигурации р³. Спектральные линии, соответствующие переходам из этих состояний, наблюдаются в планетарных туманностях и используются для диагностики электронной плотности и температуры в них.

Метастабильные состояния, для к-рых возможны двухфотонные переходы,- возбуждённые состояния, однофотонный переход из них в нижележащие состояния запрещён. Напр., уровни 2s в атоме H и водородоподобных ионах, ls²2s¹S₀ в Не и гелиеподобных ионах.

Одно из самых долгоживущих метастабильных состояний - состояние 1s2s³S₁; в Не и гелиеподобных ионах электрич. дипольные и электрич. квадрупольные переходы из них строго запрещены, а магн. дипольные и двухфотонные переходы сильно подавлены. Наиб, вероятен релятивистский магн. дипольный переход. Для Не радиац. время жизни в этом состоянии

и быстро уменьшается с ростом кратности иона

Спектральные линии, соответствующие переходам из этих состояний, используются для диагностики электронной плотности в солнечной короне. M. с. 1s2s¹S₀и 1s2s³S₁ Не играют важную роль в создании инверсии населённостей в Не - Ne - лазере и лазерах на парах металлов.

Для молекул возможны вращат. и колебательные метастабильные состояния. Однако времена жизни таких состояний в условиях, обычно достигаемых в лаборатории, значительно превосходят времена вращат. и колебат. релаксации молекул, поэтому переход из возбуждённых метастабильных состояний происходит при столкновениях молекул. В то же время в сверхразреженной межзвёздной среде, где времена свободного пробега молекул иногда достигают неск. лет, молекулы в метастабильных состояниях живут долго. В частности, вращат. уровни энергии с К = J осн. колебат. состояния молекул типа симметричного волчка (напр., аммиак), вследствие правила отбора AK = 0 являются M. с. В результате центробежного искажения молекулы при вращении для переходов с

(группа С_3v или D_3h) запрет ослабляется. Времена жизни таких метастабильных состояний составляют от неск. часов до неск. лет. Если молекула имеет центр инверсии (напр., CO₂), то все вращат. уровни и первый возбуждённый колебат. g-уровень (если ниже нет u-уровня) являются метастабильными состояниями, т. к. из таких состояний возможны только квадрупольные переходы или переходы более высокой мультипольности. Для изучения межзвёздной среды представляет интерес M. с. полносимметричного колебания v иона

В этом случае из состояний nv₁ возможны переходы: 1)

(где v₂-активное колебание) - вследствие энгармонизма, 2)

- вследствие колебательно-вращат. взаимодействия, 3) квадрупольные переходы.

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.