Stan podstawowy

Stan podstawowy – stan układu kwantowego charakteryzujący się najmniejszą energią.

Stany własne dowolnego operatora

W ramach mechaniki kwantowej opartej na równaniu Schrödingera stan układu kwantowego jest traktowany jako wektor w przestrzeni Hilberta. Wartości, jakie można otrzymać z pomiaru danej wielkości fizycznej (np. energii, pędu, położenia, spinu układu) są wartościami własnymi operatora hermitowskiego. Postać tego operatora, odpowiadającą danemu pomiarowi, znajduje się zgodnie z tzw. zasadą kwantowania. Znalezienie wartości własnych operatora dla konkretnego układu wymaga rozwiązania równania na wartości własne tego operatora, zapisanego w bazie wektorów przestrzeni Hilberta tego układu.

Stany własne operatora Hamiltona

W szczególności, jeżeli układ kwantowy jest izolowany od otoczenia lub podlega działaniu sił potencjalnych, wtedy energia potencjalna układu $V=V(r)$ nie zależy jawnie od czasu i zagadnienie znalezienia dozwolonych stanów energii sprowadza się do znalezienia rozwiązań równania własnego operatora Hamiltona $\hat{H}$:

$\hat{H}{\mathrm{\Psi }}_E=E{\mathrm{\Psi }}_E.$

Równanie to jest tzw. równaniem Schrödingera niezależnym od czasu. Stany ${\mathrm{\Psi }}_E,$ zwane stanami własnymi operatora Hamiltona, które otrzymuje się z tego równania, są stanami stanami stacjonarnymi: odpowiadający im rozkład prawdopodobieństwa nie zmienia się z upływem czasu, a energia ma stałą wartość.

Jednakże rzeczywiste układy kwantowe nigdy nie są idealnie izolowane od otoczenia. Wręcz przeciwnie, na skutek oddziaływania z innymi układami otoczenia tracą swoją energię i przechodzą do stanu podstawowego. Jednak mechanika kwantowa oparta na równaniu Schrödingera nie potrafi opisać tego w sposób ścisły.

Opis zjawiska emisja energii w sposób ścisły jest możliwy dopiero w ramach elektrodynamiki kwantowej (która opisuje je jako zjawisko kreacji i anihilacji cząstek). Według elektrodynamiki kwantowej każdy układ kwantowy, nawet izolowany od innych układów, oddziałuje z próżnią. Na skutek tego przechodzi on ze stanu wzbudzonego do niższych stanów energii, przy czym prawdopodobieństwo przejścia dane jest zależnością czasową:

$P(t)=P_0\exp (-\mathrm{\Gamma }t),$

gdzie:

$P(t)$ – prawdopodobieństwo, że stan wzbudzony jest obsadzony w chwili $t,$

$P_0$ – prawdopodobieństwo, że stan wzbudzony był obsadzony w chwili początkowej $t=0,$

$\mathrm{\Gamma }$ – pewna stała związana z siłą oddziaływania układu z otoczeniem.

W przypadku stanu podstawowego $\mathrm{\Gamma }$ wynosi 0.

Zobacz też

• stan stacjonarny