Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
можно применить к молекулам или ядрам. Рассмотрим произвольную систему частиц любого типа и в любом числе. Уровень ионизации (или диссоциации) такой системы — это значение энергии, сверх которой возможные уровни образуют непрерывный спектр. Это наименьшая энергия, при которой система может существовать в виде двух разделенных частей, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Ниже этой энергии мы имеем ряд дискретных уровней энергии, соответствующих связанному состоянию системы. (Это описание в духе двух постулатов нуждается в уточнении.)
В качестве примера схемы термов в ядерной физике рассмотрим схему дейтрона, показанную на рис. J2A. Дейтрон не имеет возбужденных состояний. Его энергия связи равна 5=2,23 МэВ. Это означает, что область непрерывных значений энергии начинается при энергии В над энергией основного состояния. При больших энергиях «дейтрон» уже не дейтрон, а система из нейтрона и протона, отделенных один от другого.
Вертикальная стрелка на рисунке соответствует фоторасщеплению дейтрона. Фотон с энергией Е$>В производит диссоциацию дейтрона, в результате которой общая кинетическая энергия протона и нейтрона оказывается равной —В. Этот процесс исследован экспериментально весьма подробно. Он полностью аналогичен фотоионизации атома, рассмотренной в предыдущем пункте. Обратным процессом является радиационный захват нейтрона протоном.
13. Автор надеется, что эти вводные замечания о схемах уровней энергии (термов) показали читателю, что два постулата находят широкое применение при изучении строения атомов, молекул и ядер. С помощью термов удается классифицировать и упорядочить экспериментальные данные о спектрах. Важной частью второго постулата является соотношение (5а). Утверждение об атоме, «перескакиваю-
-2 В=2,23 МэВ
-1
—---------- ^а
Рис. 12А. Схема уровней системы протон + нейтрон. Показано основное состояние дейтрона и непрерывная область, начинающаяся прн энергии диссоциации дейтрона, превышающей энергию основного состояния на В = = 2,23 МэВ. Стрелка обозначает фоторасщепление дейтрона
104
щем» в другое состояние, не претендует на подробное описание процессов испускания и поглощения. Это лишь наглядный и не слишком удачный способ выражения того, что происходит.
Постепенно слово «скачок» стало в квантовой физике обычным термином, который, однако, не кажется автору слишком удачным. Можно думать, что при изучении физики этот термин причиняет много лишних затруднений. Выражение «система совершила скачок из одного состояния в другое» опасно тем, что создает впечатление внезапности и мгновенности процесса. Создаваемая таким выражением мысленная картина иногда может привести к серьезным заблуждениям.
Конечная ширина уровней энергии
14. До сих пор мы не испытывали затруднений, связанных с представлением о «скачках». Дело в том, что мы нигде не имели с ними дела и лишь использовали соотношение (5а). Рассмотрим теперь ситуацию, в которой мы столкнемся с трудностями, если слишком буквально будем понимать термин «скачок».
Пусть фотон с частотой со0 поглощается атомом, первоначально находившимся в основном состоянии. Пусть частота со0 точно соот ветствует энергии перехода атома из основного состояния в одно из возбужденных и атом поглощает фотон и возбуждается. Затем он возвращается в основное состояние и испускает фотон с частотой <в0. Этот фотон может быть испущен в любых направлениях, и это означает, что атом рассеивает свет частоты <в0. Допустим теперь, что падающее на атом излучение имеет частоту, немного отличную от частоты <в0. Будет ли при этом атом рассеивать свет? На этот вопрос следует дать положительный ответ. Опыт показывает, что если частота со меняется вблизи со0, то эффективность атома как рассеивателя меняется: сначала она возрастает до резкого максимума при со = со0 и быстро падает при увеличении частоты. Иногда фотон при «неправильной» частоте также может вызвать «скачок»; мы наблюдаем.это на опыте. Возникает еще один вопрос: какова частота рассеянного излучения, если частота падающего на атом со^соо? Из картины «скачков», по-видимому, следует, что эта частота должна иметь «правильное» значение со0, такое, которое опытом не подтверждается: испущенное атомом излучение имеет частоту со, как этого и следовало бы ожидать на основании закона сохранения энергии (и представления о фотонах).
Это явление известно под названием резонансной флуоресценции. Его трудно понять, пользуясь представлением о «скачках».
15. Для понимания этих фактов нужна другая модель. Представим себе атом в виде некой механической системы, в которой электроны связаны с ядром упругими силами. Такая система будет иметь ряд резонансных частот, одна из которых равна со0. В основном состоянии атома вся эта система находится в покое, но падающая электромагнитная волна возбуждает ее колебания. В результате колеблющиеся электроны испускают электромагнитное излучение той же
105
частоты, что и частота падающей волны. Амплитуда колебаний будет тем больше, чем ближе частота волны к резонансной частоте со0, и эффективность атома как рассеивателя, очевидно, будет самой большой в том случае, когда частота приходящей волны совпадет с частотой со0. Далее, и это весьма важно, существует определенное соотношение между фазами приходящей и испущенной волн, и между ними возникает интерференция, которую невозможно объяснить в рамках модели «скачков». Наиболее серьезным дефектом модели
