Erzeugt ein Hyperfeinübergang mit 9.192.631.770 Hz 9.192.631.770 Photonen pro Sekunde oder weniger?

Dies könnte nun bedeuten, dass bei jedem einzelnen Übergang ein einzelnes Photon emittiert wird, was bedeutet, dass in einer Sekunde genau 9.192.631.770 Photonen erzeugt werden müssen

Sie verwechseln die Häufigkeit von Licht und die Häufigkeit von Übergangsereignissen.

Frequenz$\nu$von Licht, das ist$9\,192\,631\,770\;\mathrm{Hz}$Hier ist die Anzahl der Perioden des EM-Feldes an einem bestimmten Punkt pro Sekunde. Es definiert die Energie der Photonen, die durch den betreffenden Übergang erzeugt werden:$E=h\nu$.

Die Häufigkeit von Übergangsereignissen, OTOH, ist die Anzahl der Übergänge pro Sekunde, dh wie oft sich der Zustand eines Atoms vom Zustand ändert$A$zu erklären$B$oder umgekehrt. Diese Größe, die als "Frequenz" bezeichnet wird, ist nicht genau definiert, da Photonen zu zufälligen Zeiten statt periodisch emittiert werden. Es wäre sinnvoller, die Anzahl solcher zufälliger Ereignisse pro Sekunde in Becquerel statt in Hertz zu messen, obwohl diese Einheit nicht wirklich für etwas anderes als radioaktive Zerfälle verwendet wird.

Vielleicht hilft es, darauf hinzuweisen, ob die Übergangsfrequenz ist$f$, und die gesamte abgegebene Energie ist$E$, dann ist die Anzahl der emittierten Photonen$E/(h f)$Wo$h$ist die Plancksche Konstante. Ein einzelnes angeregtes Atom emittiert auf seiner Reise in den energieärmeren Zustand eines bestimmten Übergangs nur ein Photon.

(Es gibt viel seltenere Prozesse, bei denen zwei Photonen mit jeweils halber Frequenz emittiert werden, aber darum ging es nicht.)

Wenn das Atom dann in Ruhe gelassen wird, macht es keine Übergänge mehr. Nicht$1$pro Sekunde, nicht$1$pro Stunde, nicht$1$pro Jahr, einfach gar keine. Um es zu einem weiteren Übergang zu bringen, müssen Sie es erneut erregen.

Die Zeit, die ein Atom benötigt, um bei einem bestimmten Übergang eine elektromagnetische Welle zu emittieren, kann selbst ziemlich lang sein, beispielsweise eine Sekunde oder länger, wenn der Übergang eine sehr genau definierte Frequenz hat. Dies kann passieren, wenn die Lebensdauer des oberen Zustands lang ist, und es ist das, was Sie für die Art von Übergängen wünschen, die bei Atomuhren auftreten. Das Photonenbild kann hier verwirrend sein. Wenn die Frequenz auf ein Hertz genau ist, dann beträgt die Dauer des Vorgangs sicherlich mindestens eine Sekunde, denn nur ein Impuls dieser Dauer kann eine so genau definierte Frequenz haben. Aber der Prozess der Photonenerkennung kann und hat oft eine viel schnellere Zeitskala, die damit verbunden ist. Aus diesem Grund beinhalten Atomuhren normalerweise keine spontan emittierten Photonen,

Árpád, manchmal ist es hilfreich, Analogien zu verwenden, um besser zu verstehen, was passiert. Das nächste, von dem ich spreche, dient nur der besseren Vorstellung und ist nicht die einzig richtige Erklärung.

1. Der angeregte Zustand in einem Atom wird einem Elektron durch einen Puls gegeben. Es kann von einem anderen Elektron kommen, das herumwackelt, oder von einem einfallenden Photon. Das wackelnde Elektron verliert Energie (Photon) und die Erregten bekommen sie. Um in der Anregung zu sein, wird ein Teil des ankommenden Pulses (von einem anderen Elektron oder einem Photon) geschluckt und der Restwert ausgespuckt.
   Das Elektron befindet sich nun in einem metastabilen Zustand und fällt in den stabileren Zustand zurück, wobei es in den meisten Fällen genau ein Photon aussendet. Dieses Photon hat in dem Fall die gleiche Energie, die Temperatur des Materials ist gleich. Ansonsten hat das Gesamtsystem einen höheren (heißeren) oder niedrigeren (kälteren) Energiegehalt und die Übergänge erfolgen durch leicht unterschiedliche Energiepakete (Photonen).
   Nehmen Sie es so: Die elektrische Wechselwirkung zwischen Kern und Elektron wird reduziert. Alle emittierten Photonen nehmen auf ihrem Weg zum stabilen Zustand jedes Elektrons um den Kern herum einen Teil der elektrischen Feldwechselwirkung weg und die diskrete (die einzig mögliche) Emission von Photonen endet in einiger Entfernung und das Elektron ist stabil.

2. Die Wechselwirkung zwischen den Elektronen um einen Kern herum wird durch die magnetischen Dipole der Elektronen bestimmt. Die beste Stabilität haben die Edelgase. Andere Elemente haben Elektronenpaare und daher sind ihre Elektron(paare) stabiler als bei Elementen mit ungepaarten Elektronen. Nehmen Sie 5 Elektronen in eine äußere Schale; das fünfte Elektron ist unentschlossen über seine Spinorientierung.

3. Um den Spinzustand eines Elektrons zu kippen, wird wiederum Energie benötigt. Der einfallende Impuls eines Photons wird vom Elektron absorbiert (und die nicht benötigte Energie wieder freigesetzt), der Spin dreht sich um. Nun ist klar, warum der Hyperfeinübergang (zurück in den stabileren Zustand) von der Emission eines Photons genau der beobachteten Frequenz begleitet wird.

Vergleichen Sie meine bildlichen Erklärungen - die ich nur zum besseren Verständnis gezeichnet habe - mit den richtigen vier Antworten. Gibt es eine gemeinsame Schnittmenge?

Zwei Dinge sollten klar sein. Photonen werden bei der Änderung der Energieniveaus erzeugt oder absorbiert, und alle Photonen sind Spin 1 und ihre Energie wird durch gegeben$E=hν$Wo$E$ist der Unterschied in den Energieniveaus.

Jedes Atom hat seine eigenen Energieniveaus, obwohl jedes spdf-Niveau das Atom charakterisiert, obwohl es mit denselben Quantenzahlen gekennzeichnet ist. Das einzige, was das Photon tragen kann, ist die Energie, die für jedes Atom unterschiedlich ist, und die Spinorientierung, + oder - seine Bewegungsrichtung.

So funktioniert eine Atomuhr

Seit 1967 beträgt die offizielle Definition einer Sekunde 9.192.631.770 Zyklen der Strahlung, die ein Atom des Elements namens Cäsium dazu bringt, zwischen zwei Energiezuständen zu schwingen.

In einer Cäsium-Atomuhr werden Cäsiumatome durch eine Röhre geleitet, wo sie Radiowellen passieren. Wenn diese Frequenz genau richtig ist, 9.192.631.770 Zyklen pro Sekunde, "resonieren" die Cäsiumatome und ändern ihren Energiezustand.

Ein Detektor am Ende der Röhre verfolgt, wie viele Cäsiumatome sie erreichen und ihren Energiezustand geändert haben. Je feiner die Radiowellenfrequenz auf 9.192.631.770 Hz eingestellt ist, desto mehr Cäsiumatome erreichen den Detektor.

Der Detektor speist Informationen zurück in den Funkwellengenerator. Es synchronisiert die Frequenz der Radiowellen mit der Spitzenzahl der auftreffenden Cäsiumatome. Andere Elektronik in der Atomuhr zählt diese Frequenz. Wie bei einem einzigen Schwung des Pendels wird eine Sekunde abgehakt, wenn die Frequenzzählung erreicht ist.

Es ist also eine komplizierte Kombination von atomphysikalischen Übergängen unter Zillionen von Photonen, die mit der richtigen Energie auf die Cäsiumatome auftreffen . Photonen werden emittiert und absorbiert, da ein kontinuierliches Funkwellenfeld alles überflutet. Es ist ein Resonanzeffekt, der den zweiten entscheidet, soweit ich das sehen kann. Eine bessere Beschreibung gibt es hier.

Aber es versteht sich, dass die Leute keine verbotenen Übergänge wählen würden, um die Clokcs zu machen!

Die Tatsache, dass man eine Hyperfeinstruktur misst, bedeutet, dass der Unterschied in den Energieniveaus gemessen wurde. Wenn der Übergang nicht verboten ist, werden Photonen mit kleiner Energie und einer gewissen Wahrscheinlichkeit herauskommen.

Die Frequenz, 9.192.631.770 Hz. bezieht sich überhaupt nicht auf die Anzahl der Photonen. Die Anzahl der Photonen ist durch die Anzahl der Atome gegeben, die diesen Übergang durchlaufen. Sie müssen die Intensität des emittierten Lichts bestimmen, um die Anzahl der Photonen zu bestimmen. Ihre Frage nach der Anzahl der Photonen ist also nicht beantwortbar. Der Hyperfeinübergang sendet höchstwahrscheinlich ein einzelnes Photon mit einer Frequenz von 9.192.631.770 Hz aus. Eine 133-Gramm-Probe Cäsium enthält etwa$10^{23}$Atome. Wie viele von ihnen also in einer Sekunde zerfallen, entspricht ungefähr der Anzahl von Photonen mit einer Frequenz von 9.192.631.770 Hz, die pro Sekunde erzeugt werden. Ein Übergang erzeugt meistens ein Photon. 9.192.631.770 Übergänge erzeugen etwa 9.192.631.770 Photonen.