電子躍遷發射光子時是如何確定發射方向的？

03-30

上圖轉自互動百科，展現了電子躍遷發射光子的圖景，圖中電子向一個確定的方向發射光子，那麼是什麼因素決定了光子朝這個方向發射而不是相反的方向，或者是其他方向呢？
下圖是無線電波發射示意圖。

顯而易見無線電波是同時向四面八方發射的。光是電磁波，無線電波也是電磁波，光有光子，那麼無線電波也應該有無線電波子咯，如果降低無線電波的發射功率，令單位時間內所發射的能量僅相當於一個無線電波子的能量，那麼無線電波是不是也會變成只朝一個確定的方向發射呢？
是不是有某種因素制約了無線電波的發射功率不能降低到一個能量子的大小？
如果用納米電極控制單個電子的振動來發射電磁波，令頻率處於無線電波範圍內，一次只發射一個能量子，那麼這個能量子的發射方向如何確定？

如果把這個能量子的發射過程拉長到一秒，會發生什麼情況？拉長到一分鐘呢？

要分受激輻射和自發輻射。

受激輻射輻射出的是全同光子，因此方向和入射光子一致，激光就是這樣。

自發輻射可以看成是一種特殊的受激輻射，不需要入射實光子，高能級的原子被虛光子（也就是真空漲落）激發。因此輻射出的實光子和原子所處的真空模式有關，也就是由態密度決定。在自由真空，各方向態密度一致，向任何方向的概率相等，但測量會導致結果塌縮到某一方向。如果在腔裡面，在腔的作用下，延腔模的方向態密度遠大於其他方向，通常光子會延腔模方向，成為腔光子。

你這個提問前提就錯了。第一張只是示意圖，電子躍遷發射的光子是向四面八方的，示意圖為了表現「光子」的粒子性，化成了一條射線而已。

所以後面你問的都不成立。

這個你得看量光。具體的我多年不看記不清了，物理圖景大概是：

自發輻射是由真空場漲落誘導的受激輻射，按理說，它的光子和真空場的漲落是同態的（波色子嘛），所以方向你知道了吧。技術上，光學微腔（optical microcavity）是可以調節真空場的態密度（肯定也影響了真空場的漲落），進而改變自發輻射，當然就包含你希望看到的輻射時間變化。

但是，真空場漲落也服從不確定度關係，delta E（能量漲落）如果要高到一個可見光光子能量大小，delta T（時間）差不多就小到納秒。所以你說的拉長時間到多少秒啊分鐘啊啥的，都是……難以想像的，再牛逼的光子晶體也不可能把腔內的量子點/色心/單原子輻射拉長到秒級。

改變自發輻射的狀態（controlled spontaneous emission)，是量子光學的一個研究方向。主要是縮短/延長粒子上能級壽命來提高/減弱輻射強度，誘導/抑制定向輻射，實現無閾值激光，二能級激光（你沒看錯），高亮度單光子源，etc.

本屌才疏學淺，班門弄斧，而大牛多潛水。歡迎討論拍磚，糾正謬見。

第一張圖是量子理論，解釋的是一個原子如何發射電磁波，原理是電子躍遷，結論是各個方向都可以，垂直於電偶極矩最強。第二張圖是經典理論，解釋的是交變電場如何發射電磁波，原理是變化的電場產生磁場，變化的磁場再產生電場，結論和之前幾乎一致，但原理完全不同。

不要把量子這個概念代入圖2，因為量子只適用於微觀，不可以用於宏觀，而這個微觀和宏觀的分界線至今沒人知道。我們只知道：一個原子，100個原子是量子力學，1mol原子，0.01mol原子是經典物理，你問我10^10是經典還是量子？呵呵，誰知道誰去拿諾貝爾獎。

我強烈懷疑電磁波是朝四面八方發射的

而是由於你架了天線電磁波自己干涉自己了一下決定往天線那邊發射了

同理電子躍遷的電磁波發射方嚮應該也是這麼回事

這個問題問的很好。

經典情形，可以將源處的電荷分布在遠處的電磁場按照不同級次展開，得到電偶極、磁偶極、電四極等等各項輻射的空間分布。一般隨著級次的增大，輻射的強度快速降低。因此起主要作用的是低級次項。如電偶極輻射不為零的時候，電偶極輻射起到主要作用，這時光強隨角度是正弦的平方變化，畫在圖上就是題主圖上的樣子。

從量子力學的角度也可以回答這個問題。在量子力學（用量子理論描述原子中的電子，用經典理論描述電磁場的「半經典理論」）中，原子輻射光子的概率與哈密頓矩陣元的大小的平方成正比。這個哈密頓量也可以與經典的情況類似展開出各個級次的項。同樣與經典物理類似，原子躍遷時如果電偶極躍遷被允許，電偶極項也是最強的。這時給出的結果和經典情形是一樣的，也是正比於正弦的平方。（順便說一下，原子哪些能級之間的哪一種躍遷是允許的也是很有意思的問題，它涉及到角動量與宇稱的守恆，不過與本問題無關，就不多談了。）

如果使用量子光學（QED）的理論，需要把電磁場同樣量子化。本人才疏學淺，對這一理論尚不完全理解，在這裡就不回答了。不過從直覺上看，很有可能給出的結果（僅方向分布相關）與量子理論是相同的。

強烈懷疑接收光子與發射光子是相關的，接收光子決定了發射光子的方向。換句話說，光子不會往沒有接收光子設備的方向發射

本回答表述不嚴謹，大致是那麼個意思。

題主的想法也沒表達清楚，但是我大概明白，既然有嚴格的對稱性，為何發射是有方向的。

這是因為這個問題中對稱性是由統計規律保證的，一次測量的結果不能看成是對稱性破壞。如果你測量很多次，發現朝各個方向發射的機會是均等的。

就好像雙縫干涉實驗中的單個光子，兩個狹縫都是完全一樣的啊，你憑什麼走左邊不走右邊？穿過狹縫以後你怎麼又落到了這個條紋上而不是哪個條紋上？（注意這裡的描述是經典觀點的，按照量子力學的觀點應該是兩條狹縫上的概率幅疊加，即電子同時穿過兩條狹縫！）對單次量子事件的統計本質上是一次測量，這會導致波函數坍縮到某個特定的取值（當然有人不喜歡這樣的說法，那就用退相干什麼的來解釋好了），不必為此煩惱。

宏觀過程其實也是這樣，即便在理想實驗中，你在一個剛性球冠頂端放置一個剛性小球，鬆開後它也總要從某個方向滾下去，這個方向本身沒什麼特殊的。

反而如果所有物理過程的結果都是沒有任何漲落的那一切將是死氣沉沉也就不會有生命存在了。

當然也有人對此耿耿於懷，他們創造了多世界解釋，所有不違背物理規律的可能都能在一個平行宇宙中找到。你這個結果之所以不特殊，是因為在更高的層面上保持了對稱性。當然有更多的人不喜歡多世界，包括我。

"無線電波的發射功率不能降低到一個能量子的大小？"，這就是一個問題，能量子大小如何確定，能量有不有最小單位？

laser是這種情況，原子的發光方向與激發pump光同矢量方向(就是同方向咯)。至於無線電波量子態發射比較難實現，頻率太低能量太低太低，即便用原子發射也只能到光子水平，要實現單量子態無線電波發射估計要到類似於中微子的能態上去找能極差，幾乎不可能還意義也不大。至於持續時間，單量子態的電磁波似乎既不是標準波色子也不是標準費米子攜帶不了信息，需要形成波包對它調製才有意義，但是單量子態的電磁波調製後應該能大量攜帶信息，可信號弱啊沒意義喲!