Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 15А. Механическая модель атома, используемая при объяснении резонансной флуоресценции. Если это устройство возбудить ударом (например, при столкновении с электроном), оио начнет колебаться, и, поскольку электроны заряжены, будет излучаться электромагнитная энергия на резонансных частотах системы. Система будет терять энергию на излучение, и поэтому колебания будут затухать. Под действием падающей электромагнитной волны электроны атома будут совершать вынужденные колебания с частотой волны и излучать на топ же частоте. Это явление называется резонансной флуоресценцией
«скачков» в этом случае является”разделение процесса рассеяния на этапы, которым не соответствует никакая реальность. Процесс рассеяния следует рассматривать как единый когерентный процесс, а не как два «скачка», в которых фотон, испущенный во втором «скачке», не находится в определенном фазовом отношении к фотону, поглощенному в первом «скачке».
Вопрос о том, когерентны ли рассеянная и поглощенная волны, может быть исследован экспериментально. Результат свидетельствует в пользу осцилляторной модели, которая предсказывает когерентность.
16. Рассмотрение резонансной флуоресценции приводит нас к новой интерпретации уровней энергии в атомах, молекулах и ядрах: разности энергий уровней соответствуют частотам, на которых система резонирует. Разности энергий уровней являются резонансами.
Разумеется, механическую модель с упругими силами и пружинами нельзя принимать серьезно. Почему же такая модель, заведомо наивная, оказывается такой удобной при объяснении флуоресценции? Причина в том, что многие аспекты резонансных явлений не зависят от деталей модели: все, что имеет значение, заключается в существовании резонансов (с соответствующим коэффициентом затухания) и в природе связи различных резонансных мод с внешним источником возбуждения.
17. Предположим теперь, что мы пытаемся определить энергию уровней (отсчитанную от основного уровня) атома, измеряя частоту фотонов, вызывающих переход из основного в возбужденное состояние. Мы пытаемся, иными словами, определить частоту, на которой
106
атом резонирует. 1 акой единственной частоты не существует: атом откликается на небольшой интервал частот. Можно, конечно, сказать, что «правильная» частота, определяющая энергию уровня,— это частота со0, отвечающая максимуму резонансной кривой. Остается, однако, фактом, что атом откликается на все частоты вблизи со0 и линия в спектре поглощения атома не может быть абсолютно узкой: она имеет конечную ширину. Это является экспериментальным фактом.
Возникает вопрос: как обстоит дело со спектральными линиями испускания атома? Имеют ли и они конечную ширину? На это следует положительный ответ. Линия испускания имеет ту же ширину, что и линия поглощения. (Следует заметить, что экспериментально наблюдаемая ширина линий в оптических спектрах больше предсказываемой по нескольким причинам. Мы имели дело с шириной линий изолированного атома, находящегося в покое относительно наблюдателя. Эта ширина является внутренним свойством атома. Забудем на время о других причинах расширения линий; мы рассмотрим их позже в этой же главе.)
Что означает конечная ширина линии испускания? Она означает буквально то, что сказано этим определением. Если мы будем фотографировать линию с помощью спектрометра с предельно высоким разрешением, то обнаружим, что ее ширина конечна. Частота испущенного света ие равна точно со0, но мы обнаруживаем все частоты в непосредственной близости от со0.
18. Поскольку положение уровней энергии определяется по наблюдению линий поглощения и испускания и эти линии всегда имеют конечную ширину, то энергия возбужденного состояния не может быть совершенно точно определяемой величиной. Если мы верим
з существование фотонов и в закон сохранения энергии, то приходим к такому выводу. Таким образом, первый из наших постулатов, изложенных в п. 5, нельзя понимать буквально. Уровни энергии, расположенные над основным, имеют конечную ширину.
Предположим, что мы определяем энергию данного возбужденного состояния атома (молекулы или ядра), наблюдая линию поглощения, соединяющую основное состояние с возбужденным. Если «отклик» атома максимален при частоте со0, то можно приписать возбужденному состоянию среднюю энергию Е=Е0-1г%(й0, где Е0 — энергия основного состояния. Пусть ширина спектральной линии (измеренная некоторым методом, который здесь нас не интересует) равна Асо. Мы считаем, что ширина возбужденного уровня равна AE=fiAw. Если мы понимаем, что уровень энергии имеет конечную ширину, то не нуждаемся больше в термине «средняя энергия»; можно просто говорить об «энергии» уровня, понимая, что этот термин относится к соответствующим образом определенной средней энергии.
19. Смысл упрощений, лежащих в основе первого постулата, поучительно показать на примере из классической механики. Рассмотрим маятник, который мы толкнули и заставили колебаться. Допустим, что силы трения малы (наиболее существенная из них —
