Свет

Характер взаимодействия света, или фотонов, с атомами имеет много как общих, так и отличительных черт с характером взаимодействия электронов с атомами. Фотон, как и электрон, можно считать квантом с заданными энергией и импульсом. Чтобы отличить фотон от электрона, мы будем всегда изображать его путь штриховой линией (фиг. 166). Подобно электрону, фотон может передавать свою энергию и импульс атомной системе таким образом, как если бы он был частицей. Однако при столкновении фотона с электроном атомной системы (в отличие от столкновения электрона с атомным электроном) фотон может поглотиться, так что атом перейдет в возбужденное состояние, а налетающий фотон исчезнет (фиг. 167). Отличие в поведении фотона и электрона связано с фундаментальным физическим законом: заряд не может ни возникнуть, ни уничтожиться. Фотоны же, или свет, могут рождаться и исчезать. С точки зрения теории Максвелла рождение фотонов происходит в том случае, когда заряженное тело движется с ускорением; с квантовомеханической же точки зрения — когда заряженная частица (электрон) перескакивает с одной боровской орбиты на другую.

Поглотится ли фотон или нет при столкновении, зависит от того, какой энергией он обладает. Если энергия фотона слишком мала для перевода электрона из основного состояния в наинизшее возбужденное состояние, то фотон свободно пройдет через атомную систему. Однако если величина его энергии сравняется с разностью энергий между основным и каким-либо возбужденным состояниями атомной системы, то он поглотится ею и система перейдет в возбужденное состояние (фиг. 168).

Если атом переходит в возбужденное состояние, то, как правило, он не остается в этом состоянии в течение длительного промежутка времени, а снова переходит в основное состояние или в другое возбужденное состояние с меньшей энергией, излучая при этом фотон (фиг. 169). Таким образом, если в результате прохождения электронов, или облучения системы атомов светом, или просто из-за взаимных столкновений атомов (скажем, если атомы находятся в пламени горелки Бунзена) эта система возбуждается, то возбужденные атомы, переходя в другое возбужденное состояние или в основное состояние, будут излучать свет. Поэтому можно надеяться, что удастся обнаружить свечение системы возбужденных атомов. Каждый атом излучает характерный для пего свет, так как строение энергетических уровней различных атомов различно; на этом основывается весь химический спектральный анализ. Так, при интенсивном переходе атома натрия излучается желтая линия, а при интенсивном переходе атома стронция — красная, причем частота излученной линии определяется разностью энергий уровней, между которыми произошел переход:

Излученный свет обладает не непрерывным, а дискретным спектром, так как он излучается при переходах между дискретными атомными уровнями. Таким образом, излучение света с дискретным спектром при атомных переходах является с точки зрения квантовой теории естественным следствием дискретной структуры энергетических уровней квантовых атомов.

Далее, как можно было бы предвидеть, не все переходы между различными атомными состояниями являются одинаково вероятными. Некоторые переходы обладают большой вероятностью, а другие маловероятны или вообще невозможны. Квантовая теория позволяет вычислить вероятности переходов из одного атомного состояния в другое. (В следующем разделе мы кратко расскажем о том, как это делается.) Чем большей вероятностью обладает переход, тем чаще он происходит и тем большую интенсивность имеет соответствующая спектральная линия. Поэтому результаты расчетов вероятностей переходов можно сравнивать с наблюдаемыми интенсивностями различных линий атомного спектра. Получающееся при этом прекрасное совпадение теоретических и экспериментальных результатов является одним из экспериментальных подтверждений квантовой теории.

На фиг. 170 изображены некоторые из наиболее вероятных при нормальных условиях переходов между атомными уровнями, сопровождающихся испусканием фотонов. На основании анализа, проведенного выше, мы можем также понять процесс поглощения света атомными системами. Если облучать светом систему, состоящую из холодных атомов (будем считать, что световые фотоны обладают всеми энергиями, т. е. свет имеет непрерывный спектр), то те фотоны, которые могут перевести холодные атомы в возбужденное состояние, будут «выбиты» из непрерывного спектра исходного излучения. Конечно, переходя в исходное состояние, атомы будут излучать фотоны, однако в общем случае эти фотоны будут разлетаться во всех направлениях. Поэтому наблюдатель, изучающий спектр света, прошедшего сквозь атомную систему, обнаружит, что фотоны, поглощенные атомами системы, приходят на экран для наблюдения в гораздо меньших количествах, чем те фотоны, которые не поглощались. В этом и состоит объяснение темных линий Фраунгофера в спектре Солнца (фиг. 171).

Типично квантовыми процессами, представляющими большой интерес, являются процессы, в которых атомы какого-нибудь элемента переходят (в результате столкновений с другими атомами, либо в результате столкновений с электронами, либо при поглощении света) из основного состояния в любое из большого числа возможных возбужденных состояний. При обратных переходах из возбужденного состояния в другие возможные возбужденные состояния или в основное состояние излучается свет с дискретными значениями длин волн или частот. Интенсивность света определяется вероятностью перехода между двумя заданными уровнями. Если, например, энергия основного состояния какой-то атомной системы отличается от энергии возбужденного состояния, в которое атом легко переходит, и если разность этих энергий такова, что частота излученного фотона находится в видимой части спектра, то такие фотоны будут интенсивно излучаться атомом, если он возбужден, или поглощаться им, если его облучить светом. Атомы обычной краски, например, являются именно такими системами, которые интенсивно переходят из основного состояния в возбужденное; разность энергий между состояниями отвечает определенному цвету в видимой части спектра. Когда на атомы краски попадает белый свет, этот цвет интенсивно поглощается, остальные же цвета отражаются или проходят через краску и попадают в глаз.

Пример. При анализе своего эксперимента Франк и Герц отмечали, что энергия, требуемая для возбуждения атомов ртути при бомбардировке их электронами, практически равна энергии излученного света в спектре ртути. Длина волны, например, интенсивной линии в спектре ртути равна 2,536*10^-5 см. Этой длине волны соответствует энергия: