ในฟิสิกส์อะตอมและเคมีการเปลี่ยนผ่านอิเล็กตรอนของอะตอม ( เรียกอีกอย่างว่าการเปลี่ยนผ่านอะตอมการกระโดดควอนตัมหรือการก้าวกระโดดควอนตัม ) คือ การที่ อิเล็กตรอนเปลี่ยนจากระดับพลังงาน หนึ่ง ไปยังอีกระดับหนึ่งภายในอะตอม^{[ 1 ]}หรืออะตอมเทียม [ ^{2 ] ระดับ}พลังงานเหล่านี้เป็นแบบไม่ต่อเนื่อง เป็นควอนตัม และมีช่องว่างพลังงานเฉพาะตัวสำหรับอะตอมที่กำหนด แม้จะไม่ใช่รายการที่ครบถ้วน แต่การวิเคราะห์สเปกตรัมรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน (EDS) และการวิเคราะห์สเปกตรัมโฟโตอิเล็กตรอนรังสีเอกซ์ (XPS) เป็นเพียงเทคนิคการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะบางส่วนที่ใช้ปรากฏการณ์ "ลายนิ้วมืออะตอม" ของการเปลี่ยนผ่านอิเล็กตรอนของอะตอมที่ได้จากระดับพลังงานควอนตัมเฉพาะตัวเพื่อระบุการมีอยู่ของอะตอมและองค์ประกอบสัมพัทธ์ภายในตัวอย่าง^{[ 3 ]}

อิเล็กตรอนสามารถผ่อนคลายไปสู่สถานะที่มีพลังงานต่ำกว่าได้โดยการปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปของโฟตอน อิเล็กตรอนยังสามารถดูดซับโฟตอนที่ผ่านเข้ามา ซึ่งจะกระตุ้นอิเล็กตรอนให้เข้าสู่สถานะที่มีพลังงานสูงกว่า ยิ่งความแตกต่างของพลังงานระหว่างสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายของอิเล็กตรอนมากเท่าใดความยาวคลื่น ของโฟตอนก็จะ ยิ่ง สั้นลงเท่านั้น ^{[ 4 ]}

นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กนีลส์ โบห์รเป็นคนแรกที่ตั้งทฤษฎีว่าอิเล็กตรอนสามารถกระโดดควอนตัมได้ในปี พ.ศ. 2456 ^{[ 5 ]}ไม่นานหลังจากนั้นเจมส์ แฟรงค์และกุสตาฟ ลุดวิก เฮิรตซ์ได้พิสูจน์ทางทดลองว่าอะตอมมีสถานะพลังงานควอนตัม^{[ 6 ]}

ฮันส์ เดห์เมลต์ทำนายการสังเกตการกระโดดควอนตัมไว้ในปี 1975 และมีการสังเกตครั้งแรกโดยใช้ไอออนของแบเรียม ที่ถูกดักจับ ที่มหาวิทยาลัยฮัมบูร์กและปรอทที่NISTในปี 1986 ^{[ 4 ]}

อะตอมมีปฏิสัมพันธ์กับสนามไฟฟ้า ที่สั่นไหว :

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

1

โดยมีแอมพลิจูดความถี่เชิงมุมและเวกเตอร์โพลาไรเซชัน[ ^{7 ] โปรด}ทราบว่าเฟสจริงคืออย่างไรก็ตาม ในหลายกรณี การเปลี่ยนแปลงของมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับอะตอม (หรือเทียบเท่ากับความยาวคลื่นของรังสีมีขนาดใหญ่กว่าขนาดของอะตอมมาก) และสามารถละเลยเทอมนี้ได้ นี่เรียกว่าการประมาณไดโพล อะตอมยังสามารถมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็ก ที่สั่น ซึ่งเกิดจากรังสีได้ แม้ว่าจะอ่อนกว่ามากก็ตาม ${\displaystyle |{\textbf {E}__{0}|}$${\displaystyle \omega }$${\displaystyle {\hat {\textbf {e}}__{\mathrm {rad} }}$${\displaystyle (\โอเมก้า t-{\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}})}$${\displaystyle {\textbf {k}}\cdot {\textbf {r}}}$

แฮมิลโทเนียนสำหรับการปฏิสัมพันธ์นี้ ซึ่งคล้ายคลึงกับพลังงานของไดโพลแบบคลาสสิกในสนามไฟฟ้า คืออัตราการเปลี่ยนสถานะแบบกระตุ้นสามารถคำนวณได้โดยใช้ทฤษฎีการรบกวนแบบขึ้นอยู่กับเวลาอย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์สามารถสรุปได้โดยใช้กฎทองของเฟอร์มิ : องค์ประกอบเมทริกซ์ของไดโพลสามารถแยกออกเป็นผลคูณของปริพันธ์เชิงรัศมีและปริพันธ์เชิงมุม ปริพันธ์เชิงมุมจะเป็นศูนย์เว้นแต่จะ ตรงตาม กฎการเลือกสำหรับการเปลี่ยนสถานะของอะตอม ${\displaystyle H_{I}=e{\textbf {r}}\cdot {\textbf {E}}(t)}$$${\displaystyle Rate\propto |eE_{0}|^{2}\times |\langle 2|{\textbf {r}}\cdot {\hat {\textbf {e}}__{\mathrm {rad} }|1\rangle |^{2}}$$

ในการกระตุ้นอิเล็กตรอนให้ไปสู่ระดับพลังงาน ที่สูงขึ้น โฟตอน หรือแรงแผ่รังสีที่ ตกกระทบจะต้องเข้ามาและถูกดูดซับโดยอะตอมและกระทบกับอิเล็กตรอนด้วยพลังงานที่แน่นอนที่จำเป็นต่อการเปลี่ยนผ่านไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้นที่กำหนด ช่องว่างพลังงานระหว่างระดับพลังงานควอนตัมของอะตอมอยู่ในระดับเดียวกับรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) และรังสีเอกซ์ ดังนั้นจึงสามารถเข้าใจได้ว่าช่องว่างระหว่างระดับพลังงานอยู่ในระดับหลายร้อยนาโนเมตรหรือเล็กกว่านั้นหลักการของ Franck-Condonระบุว่า เนื่องจากการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสช้ากว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนมาก การเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนจึงเกิดขึ้นในลักษณะเชิงเส้นและจะส่งผลให้เกิดการกระตุ้นไปสู่ระดับพลังงานก็ต่อเมื่อรังสีที่ตกกระทบมีพลังงานเทียบเท่ากับช่องว่างพลังงานและหากความน่าจะเป็นของฟังก์ชันคลื่น เริ่มต้นและสุดท้าย ทับซ้อนกันอย่างมีนัยสำคัญ เลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น UV และรังสีเอกซ์สามารถใช้เพื่อตรวจสอบการกระตุ้นอิเล็กตรอนดังกล่าวได้^{[ 3 ]}ยังไม่มีการวัดช่วงเวลาของการกระโดดควอนตัมในเชิงทดลอง อย่างไรก็ตามหลักการ Franck–Condon จำกัดขีดจำกัดบนของ ^{พารามิเตอร์}นี้ไว้ที่ระดับattoseconds ^[ 8 ^]

เช่นเดียวกับที่พลังงานต้องเข้าไปและถูกดูดซับโดยระบบ (อะตอม) เพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอน การปล่อยรังสีหรือการปล่อยรังสีแบบไม่แผ่รังสีจะเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนผ่อนคลายลงสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า การปล่อยรังสีที่เกิดขึ้นตามมาก็อยู่ในระดับนาโนเมตรเช่นกันและสามารถตรวจจับได้หลายวิธี^{[ 3 ]}

• สเปกโทรสโกปี UV-Vis - แสงที่มองเห็นได้และ/หรือแสงอัลตราไวโอเลตจะถูกฉายลงบนตัวอย่างเพื่อตรวจสอบเนื้อหาภายใน โดยจะตรวจจับความเข้มของแสงที่ผ่านเข้ามา (การส่งผ่าน) หรือการไม่มีแสงผ่านเข้ามา (การดูดกลืน) และพล็อตลงบนสเปกตรัม^{[ 9 ]}
• สเปกโทรสโกปีรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน - ลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูงกระทบตัวอย่างและขับอิเล็กตรอนออกจากเปลือกอิเล็กตรอนแกนกลางของอะตอม เมื่ออิเล็กตรอนตกลงสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่าเพื่อเติมเต็มช่องว่าง รังสีเอกซ์ที่มีลักษณะเฉพาะของอะตอมจะถูกปล่อยออกมา EDS เป็นรูปแบบการวิเคราะห์ลักษณะทั่วไปที่ใช้สำหรับการระบุองค์ประกอบของธาตุในตัวอย่าง^{[ 10 ]}
• สเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนเอ็กซ์เรย์ - รังสีเอ็กซ์ที่ตกกระทบจะถูกใช้เพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอนบนพื้นผิวของตัวอย่าง จากนั้นอิเล็กตรอนจากพื้นผิวจะถูกปล่อยออกมาพร้อมกับพลังงานและความอุดมสมบูรณ์ที่ตรวจจับได้ เนื่องจากอะตอมที่แตกต่างกันมีพลังงานพันธะที่แตกต่างกัน การวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะประเภทนี้จึงสามารถใช้เพื่อกำหนดองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุที่สังเคราะห์ขึ้นได้เช่นกัน^{[ 11 ]}

ในปี 2019 ได้มีการสาธิตในการทดลองกับอะตอมเทียม ตัวนำยิ่งยวด ที่ประกอบด้วยคิวบิตทรานส์มอน ไฮบริดสองตัว ที่วางไว้ภายในโพรงเรโซเนเตอร์อ่านค่าที่อุณหภูมิ 15 มิลลิเคลวินว่าวิวัฒนาการของการกระโดดบางอย่างนั้นต่อเนื่อง สอดคล้อง กำหนดได้ และย้อนกลับได้^{[ 12 ]}ในทางกลับกัน การกระโดดควอนตัมอื่นๆ นั้นคาดเดาไม่ได้โดยเนื้อแท้^{[ 13 ]}

ลองค้นหาคำว่า "quantum leap"ในวิกิพีเดีย ซึ่งเป็นพจนานุกรมเสรี

• Schrödinger, Erwin (สิงหาคม 1952). "มีการกระโดดควอนตัมหรือไม่? ตอนที่ 1" (PDF)วารสารปรัชญาวิทยาศาสตร์ของอังกฤษ 3 ( 10): 109– 123. doi : 10.1093/bjps/iii.10.109 .ตอนที่ 2
• "ไม่มีการกระโดดควอนตัม และไม่มีอนุภาค!"โดย HD Zeh, Physics Letters A172 , 189 (1993)
• บอลล์, ฟิลิป (5 มิถุนายน 2019). "การก้าวกระโดดควอนตัมที่เคยคิดว่าเกิดขึ้นทันทีนั้น แท้จริงแล้วต้องใช้เวลา" . นิตยสารควอนตัม. สืบค้นเมื่อ6 มิถุนายน 2019 .
• "Surface plasmon at a metal-dielectric interface with an epsilon-near-zero transition layer"โดย Kevin Roccapriore และคณะ, Physical Review B 103 , L161404 (2021)