Время и современная физика - Зайцева Г.А.
Скачать (прямая ссылка):
Энергетические уровни и электромагнитное излучение
В квантовой механике свойства системы частиц не изменяются непрерывно. Система может находиться в дискретных состояниях, чщло которых счетно и каждому из которых соответствует СЬоя энергия №. С помощью теории находят различные возможные состояния и различные энергетические уровйй системы. Как и всегда, самыми стабильными оказывайтся состояния с наиболее низкой энергией..
69
Атомная система, занимающая некоторый энергетический уровень №и в некоторых условиях может спонтанно совершать переход на другой уровень, энергия которого №2 меньше №\\ при этом квант энергии Д№= = 1^1—1^2 переходит в энергию электромагнитного излучения. Известно, что электромагнитная волна с частотой / переносит энергию в виде конечных неделимых порций величины А/, называемых фотонами (к — универсальная постоянная Планка, равная 6,6-10~27 эрг-сек). Один из таких фотонов образуется при атомном переходе, а частота / испускаемой волны определяется из соотношения
Ш = Л/.
И наоборот, если атомы, занимающие энергетический уровень №2, облучаются волной с частотой то в результате поглощения фотона они могут совершить обратный переход на энергетический уровень №\. В таблице читатели найдут главные области электромагнитных волн, определяемые по их частоте.
Точность частот, испускаемых и поглощаемых при внутриатомных переходах, зависит от точности определения энергетических уровней. У энергии каждого уровня имеется фундаментальная неопределенность, которая называется естественной шириной линии и связана с продолжительностью существования данного уровня. Но чаще эту точность ограничивают другие, более важные явления.
На самом деле энергетические уровни возмущаются влияющими на атом внешними воздействиями: электрическим или магнитным полем, столкновениями или присутствием других атомов. Чтобы максимально уменьшить эти воздействия, в большинстве случаев используют газообразные вещества при малом давлении или атомные пучки и стараются не пользоваться жидкими и особенно твердыми состояниями (в последнем случае энергетические уровни полностью искажены1; их изучением занимается физика твердых тел, получившая широкое раз-
1 Советский физик Э. В. Шпольский открыл специальные условия, при которых энергетические уровни определённых молекул, вмороженных в твёрдое Телб, оказываТотсЯ неискаженными.— Прим. ред.
70
Средняя частота f, Мгц Средняя длина волны Специальное название каждой области Применение Атомные переходы, соответствующие разности энергий Д№ = Ы
0,1 1,0 10 3-10J IO4 105 4-Ю8 От 4-10^ до 7,5-108 3000- м 300 M 30 м 1 M 3 см 3 мм 0,75 мк От 0,75 до 0,4 мк Длинные волны Средние » Короткие » Метровые. » Сантиметровые » Миллиметровые » Инфракрасные лучи Видимый свет Радиовещание Телевидение Радиолокация Нагревание путем теплового облучения Расщепление данного уровня на несколько близлежащих уровней в электрическом или магнитном поле Переходы между колебательными или вращательными состояниями молекул или переходы, соответствующие сверхтонкой структуре атомных спектров
7,5-108 0,4 мк Ультрафиолетовые лучи Химические реакции Переходы электронов, наиболее удаленных от ядра и принимающих участие в химической связи
3.10n 1013 З- 10і4 10А 0,3A 0.01A Жесткие / ские ЛУЧИ Медицинская рентгенография Промышленная рентгенография Переходы электронов, близких к ядру и наиболее прочно с ним связанных
Более высокая частота Длина волны меньших размеров 7- Лучи Лучевая терапия Внутренние переходы в атомном ядре
витие после второй мировой войны). Существует другое важное ограничение, причины которого не связаны со свойствами энергетических уровней. Это эффект Доппле-ра — Физо, вызванный беспорядочньш тепловым движением атомов или молекул: частота волны, испускаемая движущейся системой, неподвижному наблюдателю кажется измененной на относительную величину, равную скорости V системы (составляющей скорости в направлении распространения волны), деленной на скоростью распространения волн:
А/ _ и
Однако эти неопределенности зачастую достаточно слабы и в большинстве случаев не мешают с большой точностью определять частоты атомных и молекулярных переходов. Поэтому вместо традиционного эталона метра, хранящегося в бретейском павильоне, для сверхточных измерений стали применять длину волны А,= с//, соответствующую переходу между уровнями энергии в атоме криптона.
Итак, в нашем распоряжении имеются высокостабильные частоты, более стабильные, чем частота кварца. Эти частоты можно применять для конструирования часов. Но при их использовании возникает следующая проблема: в момент перехода каждый атом ведет себя как осциллятор, колебания которого затухают за очень короткое время. Но для изготовления часов нужен единичный осциллятор, а не большой набор атомов, эффекты которых накладываются друг на друга. Кроме всего прочего, такой осциллятор должен функционировать непрерывно. Эту трудность можно преодолеть двумя способами — используя или регулируемые кварцевые часы, или мазеры.
Регулируемые кварцевые часы
В первом способе используется кварцевый осциллятор, который стабилизируется с помощью устройства, подгоняющего его частоту к частоте атомного перехода.
