Квантовый переход – скачкообразный переход квантовой системы атома, молекулы и другой квантовой системы с одного уровня энергии на другой. При переходе с более высокого уровня на более низкий квантовая система излучает энергию. При переходе с более низкого уровня на более высокий квантовая система поглощает энергию. Излучение и поглощение энергии происходит квантами энергии.

Наиболее важен случай переходов между стационарными состояниями, соответствующими определенным значениям энергии системы (представление о квантовых переходах для этою случая было введено Н. Бором (N. Bohr) в 1913). Квантовые переходы между нестационарными состояниями могут быть описаны с помощью принципа суперпозиции состояний.

В общем случае квантовый переход характеризуется амплитудой перехода, квадрат её модуля определяет вероятность перехода. При любых переходах выполняются точные законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда и др. В переходах, происходящих за счёт электромагнитного и сильного взаимодействий, выполняются законы сохранения пространственной чётности, зарядовой четности, странности и др., которые могут нарушаться в переходах, происходящих благодаря слабому взаимодействию.  Квантовые переходы между различными стационарными состояниями, сопровождающиеся испусканием или поглощением к.-л. частицы (напр., фотона в случае излучательных переходов), на схемах уровней энергии принято изображать вертикальными или наклонными линиями, соединяющими соответствующие уровни энергии системы, изображаемые горизонтальными линиями. Ниже рассматриваются  квантовые переходы в атомах и молекулах. Такие  квантовые переходы могут быть излучательными и безызлучательными. При излучательном  квантовом переходе система испускает (переход ε_i → ε_k , ε_i > ε_k ,где ε_i и ε_k – энергии стационарных состояний, между которыми происходит переход) или поглощает (переход ε_k → ε_i ) квант электромагнитного излучения. В зависимости от величины испускается или поглощается излучение в различных частотных диапазонах шкалы электромагнитных волн. Совокупность излучательных переходов с верхних уровней энергии на нижние образует спектр испускания данной квантовой системы, а с низших. уровней на верхние – её спектр поглощения. При безызлучательном переходе система отдаёт или получает энергию при взаимодействии с др. системами. Вероятности переходов в атомах и молекулах принято характеризовать средним числом переходов данного типа за единицу времени (1 с).

Излучательные переходы могут быть спонтанными («самопроизвольными»), не зависящими от внешних воздействий на квантовую систему и обусловленными её взаимодействием с физическим вакуумом (спонтанное испускание фотона), и вынужденными (индуцированными), происходящими под действием внешнего электромагнитного излучения резонансной частоты (поглощение и вынужденное испускание фотона) Вероятности излучательных переходов определяются коэффициентами Эйнштейна и могут быть рассчитаны методами квантовой электродинамики и квантовой механики.

Как отмечалось, изменение энергии квантовой системы при безызлучательном переходе происходит вследствие её взаимодействия с др. квантовыми системами, напр. для молекулы газа при её столкновении с др. молекулами, а для частицы в жидкости или в кристалле – при взаимодействии с ближайшим окружением. Помимо вынужденных безызлучательных переходов, сопровождающихся изменением энергии системы, возможны спонтанные безызлучательные переходы, при которых при заданной энергии происходит распад системы на части, например, автоионизация атома или предиссоциация молекулы. Такие процессы возможны, если энергия системы больше энергии, необходимой для её распада.

 

Квантовые переходы используются во вращательных спектрах, колебательные спектрах, электронных спектрах, мёссбауэровской спектроскопии, электронном парамагнитном резонансе, ядерном магнитном резонансе, ядерном квадруполъном резонансе, рентгеновской спектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии. Помимо обычных одногвантовых переходов, в каждом из которых поглощается или испускается один квант энергии, возможны многофотонные процессы, представляющие собой либо последовательность нескольких одноквантовых переходов, либо один квантовый переход системы между двумя квантовыми состояниями, но с излучением или поглощением нескольких квантов одинаковой или разной энергии. Вероятность многоквантовых переходов быстро уменьшается с понижением интенсивности взаимодействующего с веществом электромагнитного излучения, поэтому их исследование стало возможным лишь благодаря применению лазеров. Простейший двухквантовый процесс – комбинация рассеяние света, при котором частица (атом, молекула) одновременно поглощает квант энергии и испускает квант меньшей или большей энергии. При последовательном поглощении молекулой двух квантов света возможны в ряде случаев фотохимические реакции. Четырехквантовый переход является, напр., основой метода когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС). С помощью этого метода удается изучать такие состояния, переходы в которые запрещены при одноквантовых переходах. Приближенная трактовка излучательных квантовых перехoдов как переходов между стационарными состояниями системы справедлива только в случае взаимодействия квантовых систем со слабым электромагнитным полем. В сильных полях само понятие "уровень энергии квантовой системы" не может быть определено. Для сильных периодических полей вводится концепция квазиэнергетических состояний, в рамках которой можно описывать изменения, происходящие с системой при взаимодействии с полем. Если квантовая система состоит из большого числа одинаковых подсистем, возможна синхронизация излучательных квантовых перехoдов в различных подсистемах, приводящая к возникновению когерентного излучения. Данное явление лежит в основе работы лазеров и других квантовых генераторов излучения. В результате излучательного квантового перехoда система может остаться существовать как единое целое (переходы между связанными состояниями) или распасться на несвязанные части (переходы из связанных состояний в несвязанные). Примерами последних служат фотодиссоциация, фотоионизация и другие фотохимические реакции.

Безызлучательный квантовый переход – квантовый переход, который и противоположность излучательному квантовому переходу не связан с процессами излучения, то есть с испусканием или поглощенном фотонов (а также с комбинационным рассеянием света). При безызлучательном квантовом переходе изменение энергии системы (ее отдача при переходе из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией и получение при обратном переходе) осуществляется благодаря непосредственному взаимодействию данной системы с другими системами. Например, частица в газе может отдавать энергию или получать ее (возбуждаться) при столкновениях с другими частицами. В жидкости или твердим теле частица (молекула, ион) взаимодействует с ближайшим окружением и ее электронная энергия возбуждения может при безылучательном квантовом переходе перейти в колебательную и другие виды энергии (то есть расходуется на возникновение элементарных возбуждений – фононов и других квазичастиц). Возможны также безызлучательные квантовые переходы без изменения энергии системы, связанные с ее спонтанным распадом, например автоионизация атома при оже-эффекте или предиссоциация молекул.

Основная задача процесса накачки может быть рассмотрена на примере трехуровневого лазера (рис. 1).

Нижний лазерный уровень I с энергией E₁, является основным уровнем энергии системы, на котором первоначально находятся все активные атомы. Накачка возбуждает атомы и соответственно переводит с основного уровня I, на уровень III,с энергией E₃. Атомы, оказавшиеся на уровне III, излучают кванты света и переходят на уровень I, либо на быстро переходят на верхний лазерный уровень II. Чтобы происходило накапливание возбужденных атомов на верхнем лазерном уровне II,с энергией E₂ , нужно иметь быструю релаксацию атомов с уровня III на II, которая должна превышать скорость распада верхнего лазерного уровня II. Созданная таким образом инверсная населенность обеспечит условия для усиления излучения.