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Titolo: Quiz sul decadimento atomico

 
a) Un atomo e' in una sovrapposizione di due stati eccitati. Decade 
nello stato fondamentale. Cosa si osserva?
 
b) Un atomo e' in uno stato eccitato. Puo' decadere in due diversi stati 
di energia inferiore. Cosa si osserva?
 
 
 
Note
 
1) E' divertente pensarci senza fare ricerche in rete (dove si potrebbe 
trovare rapidamente la risposta)
 
2) Per il caso b) conosco la risposta ma ho solo un'intuizione vaga e 
forse sbagliata di cosa succede, sara' interessante per me discuterla
 
3) Per chi conosce gia' la risposta: prego non postatela subito e date 
una chance a quelli che non la conoscono di provare

 stati di energia inferiore. Cosa si osserva?
Dato che sono passati 5 giorni, penso di poter rispondere.
 
Per a) ti rimando a
http://www.sagredo.eu/articoli/fotoni.pdf
 
a partire da pag. 29: "I battimnti quantistici"
 
Per b), dato che nei due casi l'atomo viene lasciato in stati diversi,
non hai una sovrapposizione ma una miscela statistica.
Osserverai, con certe probabilità, un fotone emesso con l'una o
l'altra energia.
E in generale con due diverse costanti di tempo di decadimento per i
due canali.
 
 
-- 
Elio Fabri


Sono gia' passati 5 giorni dalla pubblicazione del tuo post, quindi posso parlare senza timore di fare lo spoiler :-). Ne aveva gia' parlato Fabri, riferendosi ad un suo articolo che si trova qui:
 
http://www.sagredo.eu/articoli/fotoni.pdf
 
 
a pag 29 ("i battimenti quantistici" ) e seguenti.
Approfondimenti in wikipedia alla voce "quantum beats".
16.05.2018 ore 13:15
 
--
Wakinian Tanka

 
 
Giusto naturalmente e vedi mia domanda nel post di risposta ad Elio (la 
domanda e' naturalmente per tutti!)

 
 
 
 
Per b).
 
 
C'e' una spiegazione intuitiva del perche' l'atomo vene lasciato in uno 
stato o nell'altro e non in una sovrapposizione dei due stati inferiori?
 
Lo so che la risposta si ha facendo il calcolo, ma non sono capace 
(almeno adesso).
 
L'idea che mi e' venuta in mente e' che l'atomo interagisce con un 
grandissimo numero di modi del campo e.m., per questo la coerenza va a 
zero. Se questo fosse vero, un esperimento in cavita' dovrebbe mostrare 
battimenti anche nel caso b) (so che e' complicato)

 
 
Non lo so, ma forse si può dire che, dovendo l'atomo diseccitato trovarsi necessariamente in uno o l'altro dei due stati, il fotone dovra' avere l'una o l'altra energia e quindi verra' rivelato, ad es. o un fotone rosso o uno verde.
 
--
Wakinian Tanka


Non mi e' chiaro se il fatto che l'atomo diseccitato si debba trovare 
nell'uno e o nell'altro dei due stati si verifica perche' c'e' si fa una 
misura (non riesco ad identificare il punto in cui la si fa) o perche' 
l'interazione con il campo e.m. nello spazio libero causa perdita di 
coerenza.
 
Di nuovo: se metto il sistema "lambda" in una piccola cavita', e 
immagino di mettere un rivelatore della radiazione in una delle pareti 
di questa cavita', cosa osservo? Non riesco a ragionarci sopra.

 mostrare battimenti anche nel caso b) (so che e' complicato)
Ci ho ripensato, e sarei propenso a rimangiarmi la mia risposta.
Per ora direi che non si può rispondere se non si precisa in modo
completo l'esperimento: che cosa esattamente si misura?
 
Quindi niente siegazion e intuitiva, e non è vero (direi) che la
risposta si trova facendo il calcolo.
In questo senso per es. non mi convince affatto quello che si trova su
wiki (en).
 
Quello che dici sulla coerenza (o decoerenza) invece va nella
direzione che sto indicando, però bisgnerebbe appunto precisare
l'esperimento, per poter capire se ci sarà o no decoerenza.
In che condizioni si trova l'atomo?
Che cosa si misura dei fotoni?
 
 
-- 
Elio Fabri

 
 
Riprendo il post che ho scritto in risposta a WT, aggiungo il caso dello 
spazio libero.
 
Mi pare di dover considerare il caso di molti atomi preparati tutti 
nello stesso stato (infatti per un solo atomo, anche se e' un sistema a 
V preparato in una sovrapposizione coerente dei due stati superiori, non 
credo che si potrebbero osservare battimenti quantistici - anche su 
questo non riesco a pensare con chiarezza - troppi ingredienti)
 
Due casi
 
1) Spazio libero. Gli atomi (sistema lambda, sono molti) partono nello 
stato eccitato. C'e' un rivelatore di fotoni (per esempio una giunzione, 
che trasforma luce in corrente) che occupa tutto lo spazio angolare 
attorno agli atomi
 
2) Cavita'. Gli atomi sono in una cavita' molto piccola, che supporta 
solo qualche modo (mettiamo che supporti un modo alla frequenza di una 
transizione, un modo all'altra frequenza, scegliendo bene le frequenze 
si puo' fare).
Le pareti della cavita' sono costituite da un rivelatore (di nuoco una 
giunzione) - nota: non capisco come sono fatti i modi se la cavita' e' 
piccola e tutte le pareti sono assorbenti; forse e' meglio considerare 
una piccola parte assorbente, il resto riflettente. Mi rendo conto che 
il post si e' complicato, pero' mi sembra di dover considerare queste 
complicazioni.
 
Il caso di un solo atomo lo lascerei da parte almeno per il momento, non 
so cosa osservare (piu' precisamente: non ho idea di cosa si vedrebbe 
nell'esperimento 2) che ho descritto sopra).

 
Ma il "battimento quantistico" si ha proprio con fotoni singoli quindi sono proprio i "singoli atomi" ad essere in sovrapposizione di stati.
 
Del resto se l'effetto fosse dovuto ad una interferenza di fotoni prodotti da atomi diversi, non sarebbe una vera "sovrapposizione di stati quantistica" (secondo me). 
23/05/2018 ore 16:08
 
--
Ciao

 Ma il "battimento quantistico" si ha proprio con fotoni singoli quindi sono proprio i "singoli atomi" ad essere in sovrapposizione di stati.
 
 
Mi sa che hai ragione. L'esperimento con un singolo atomo dovrebbe 
essere questo: preparo l'atomo nello stato eccitato al tempo t0 e 
registro l'istante t di ricezione del fotone; poi faccio la statistica 
dei tempi t, e nella statistica si vedono le oscillazioni.
 
Quindi nelle due configurazioni sperimentali che ho descritto possiamo 
considerare un singolo atomo.