2. — атом в нижнем состоянии с
. Осциллятор в первом возбужденном
состоянии, стенки не возбуждены. Энергия этого состояния
, где
—
собственная частота резонатора.
.
3. — атом в нижнем состоянии, осциллятор в
основном состоянии, стенки поглотили фотон с частотой
. Энергия этого состояния
.
Волновую
функцию системы ищем в виде суперпозиции указанных
волновых функций:
.
Поскольку стенки могут поглотить
любой фотон, то третье состояние является фактически набором состояний. Для
нахождения коэффициентов А(t), B(t) и решается
уравнение Шредингера методом теории возмущений:
,
(179)
где учитывается, что основные
волновые функции являются собственными функциями операторов и ортогональны между собой.
В результате имеем
;
; (180)
.
В этих уравнениях U и - матричные элементы операторов возмущений
, (181)
—
учитывает начальное состояние системы, атом в возбужденном состоянии возникает
в момент времени t = 0.
Отметим, что
операторы не диагональны в выбранном представлении
;
(182)
Система (180) решается методом преобразования Лапласа. Не останавливаясь на деталях, рассмотрим результаты решения.
1 случай. Вначале рассмотрим частный случай
взаимодействия атома с континуумом осцилляторов поля свободного пространства.
Тогда и собственные значения
равны
,
соответствующие плоским волнам c плотностью фотонов
с
волновым вектором
и поляризацией
. В волновой функции должен появиться
дополнительный совокупный индекс
.
Предположим, что взаимодействие атома с полем дипольное
.
Для вычисления матричных
элементов оператора взаимодействия используется стандартная
техника квантовой электродинамики (см. раздел 3.1), то есть поле разлагается в
ряд по плоским волнам (127). Задача вычисления
связана
с вычислением матричных элементов типа
(см.
(138,139), где операторы
, являясь коэффициентами
разложения поля (127), имеют матричные элементы, отличные от нуля только при
переходах, связанных с рождением для
и гибели (для
) фотонов (137).
Окончательно имеем
;
, (183)
где.
Вероятность
спонтанных переходов в единицу времени определяется
соотношением:
. (184)
Распределение испущенных фотонов по частоте
, (185)
где —
плотность состояний в пространстве.
Таким образом, как вероятность излучений (184), так и ширина спектра (185) совпадают с полученными ранее (142,156).
2 случай. Затухание энергии в резонаторе A(t) = 0. (Атом не участвует в задаче). В начальный момент резонатор находится в первом возбужденном состоянии, а поглотитель (стенка) — в основном (не возбужденном) состоянии.
Решение системы (180) очевидно
, (186)
где
,
—
плотность состояний в поглотители,
— сдвиг частоты резонатора.
Величина определяет добротность резонатора
.
3 случай.
Скорость спонтанного распада атома в резонаторе. В задаче существует две
константы скорости: и
, определяющие
затухание поля в резонаторе
и распад атомной системы
.
В
предположении , из решения системы (180)
получим
. (187)
Видно, что при из (187) следует формула (177), то есть
вероятность возрастает в
раз
. Но из (187) так же следует, что при
наличии расстройки между
и
спонтанное излучение резонатора сильно
подавляется. Так, при
вероятность уменьшается, по
сравнению с резонансным случаем, в
раз, а по сравнению с
вероятностью спонтанного излучения в свободном пространстве, в
раз
.
Спектр
излучения атома имеет лоренцовский профиль с шириной .
В противоположном случае
спектральное распределение
состоит из двух пиков с полушириной
, сдвинутых относительно
центра
на расстояние
.
Физическая интерпретация этого явления состоит в том, что при
фотон, испущенный атомом, снова им
поглощается с большей вероятностью, чем стенкой. При
связанная
система двух осцилляторов имеет два значения частот
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.