Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
II. «Когда атом поглощает или излучает электромагнитное излучение, он перескакивает из одного состояния в другое. При перескоке из состояния с большей энергией Еи в состояние с меньшей Et (в этом случае Ea>Et) испускается фотон, частота которого определяется равенством *)
hv = fixi) = Ea—Е{. (5а)
Процесс, обратный испусканию, заключается в поглощении фотона с частотой v; в этом случае атом перескакивает из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией».
Сразу же заметим, что если эти постулаты понимать буквально, то первый из них противоречит второму. «Состояние с большей энергией» не может быть абсолютно стабильным, поскольку в конце концов происходит спонтанный распад этого состояния. В макроскопической шкале времени этот распад происходит крайне быстро: типичное время жизни возбужденных состояний атомов и молекул имеет порядок 10-8 с. Заметим, однако, что в атомной шкале времени эти времена жизни крайне велики. Оптическим фотонам соответствует частота порядка 1014 Гц, и период колебаний оказывается на много порядков меньше типичных значений времени жизни возбужденных состояний.
Относительно второго постулата мы должны сказать, что в нем заметен недостаток информации: мы остаемся в полном неведении относительно того, что означает «перескок» атома из одного состояния в другое. Многие вместо термина «перескок» пишут, что «атом совершает переход из одного состояния в другое». Это звучит солиднее, но вряд ли здесь содержится больше. Что в действительности происходит при таком переходе?
Несмотря на сделанные замечания, читатель не должен считать эти два постулата бессмысленными: они дали описание весьма сложных явлений в первом приближении, их применение было весьма плодотворным.
6. Чтобы объяснить все наблюдаемые спектральные линии атома (молекулы или ядра),' попытаемся построить систему термов, или уровней энергии. Под этим мы понимаем уровни, которым приписаны значения Е0, Еь Ег, . . ., так что каждой наблюдаемой спектральной линии отвечает переход между двумя уровнями энергии нашей системы термов.
*) В п. 8 гл. 2 мы отмечали, что «частотой» называют как V, так и 2itv=co. Аналогично, «постоянной Планка» называют как h, так и Й=/г/2я. В дальнейшем мы чаще всего будем пользоваться величинами <в и автор предпочитает их v и h.
96
Рис. 5А. Несколько участков спектра железа, сфотографированных на общей фотопластинке. Длины волн даны в ангстремах. Эта спектрограмма предназначена не для измерения длин волн в спектре железа, а для калибровки спектрометра с кварцевыми призмами по линиям, длины волн которых хорошо известны
а-*;
Рис. 5В. Спектр гелия (длинные линии), наложенный на спектр железа (короткие линии). На згой спектрограмме поражает
леза по сравп-линю с простотой спектра гелия
t(e * ft
сложность спектра же-
Систему уровней, которую мы хотим построить,^часто изображают графически в виде схемы термов, пример которой показан на рис. 6А. Горизонтальные линии соответствуют четырем уровням энергии системы. Вертикальные линии, соединяющие разные уровни, указывают на возможные переходы, направление которых (поглощение или испускание) отмечено стрелкой. Частоты шести возможных переходов перечислены в подписи под рисунком. Обычно расстояния между уровнями энергии откладываются в линейном масштабе и частоты переходов при этом прямо пропорциональны длине линий (стрелок), соединяющих соответствующие уровни.
Рис. 6А. Схема уровней. Показаны четыре уровня энергии и переходы между ними. Возможные частоты перехода: г М „ =
0 Юа „ = (?* — H0)/fi, (ом = l?2 —ЯД-'ti,
&^иис/аиимиа a),o“(?'i—E0)/h, оу^~(Е3—Е2).-К
Как видно из рисунка, относительно небольшому числу уровней отвечает значительное число линий. Действительно, число пар уровней, которое можно образовать из п уровней, равно п(п—1)/2. Заметим, однако, что в общем случае мы не будем наблюдать спектральных линий, отвечающих всем возможным парам уровней, и в этом смысле рис. 6А ошибочен. Позже мы вернемся к этому обстоятельству, имеющему большое значение.
Создание схемы уровней позволяет упорядочить кажущийся хаос наблюдаемых спектральных линий. Рассмотрим некоторые атомные, а еще лучше молекулярные спектры типа приведенного на рис. 6В. На этом рисунке, изображающем спектр молекулы углерода, виден ряд полос. Изучая этот спектр с помощью прибора, обладающего большим разрешением, мы обнаружим, что полосы в действительности состоят из огромного числа близко расположенных спектральных линий. На первый взгляд молекулярный спектр кажется безнадежно сложным. Тем не менее эту сложность можно упорядочить: в большинстве случаев удается построить схему термов и объяснить с ее помощью каждую из наблюдаемых спектральных линий.
