Вихман Э. Квантовая физика (1185110), страница 27
Текст из файла (страница 27)
исай энергии ионизации, и из непрерывных значений при ббльших энергиях. Эта ситуация показана на рис. 11А. Заштрихованная область над Е энергией ионизации Е, отвечает об- ОСНОЕННЕСасссссНННЕ ласти непрерывных 1 значений энергии. Вертикальная линия слева соответствует переходу атома из основного состояния в состояние с энергией Е' в непрерывном спектре при поглощении фотона с энергией Е' — Е,. Этот процесс является фотоэффектом для отдельного атома. Вырванный из атома электрон будет иметь кинртичгскусо энергию Е' — Ео Процессом, обратным фотононнзации (фотоэлектрнческому эффекту), является радиационная рекомбинации электрона и однократно нонизованного атома.
Такой процесс показан вертикальной линией справа на рис. 1!А. Электрон с кинетической энергией Е" — Е; сталкивается с ионом (в покое), и система «перескакнвает» на уровень Е„испуская фотон с энергией Е" — Ев. С уровня Е, атом продолжает переход на основной уровень, задерживаясь на некоторое время в первом возбужденном состоянии, как это показано стрелками.
Во всех этих переходах испускается каскад фотонов соответст- вующих энергий. ') Еслвресп А.— Апп. 11. Риув., 19 05, и. 17, р. 132. 4" Зак, 127 103 В атомной физике уровню, отвечающему ионизации, часто приписывают нулевое значение энергии. Тогда энергия связанных состояний оказывается отрицательной. В зависимости от обстоятельств может быть выбрана и другая точка нулевой энергии. В ядерной физике нулевую энергию обычно приписывают основному состоянию ядра. Заметим, что выбор нулевой точки условный. 12.
До сих пор мы рассматрнвалн в свете двух приведенных постулатов лишь атомы. Идея об уровнях энергии и о переходах между ними имеет, однако, весьма общий характер, и ее с равным успехом можно прнменить к молекулам или ядрам. Рассмотрим произвольную систему ~~~~~~~~У~~~~! '- частиц любого типа и в любом числе. Уровень ионизация (или диссоциацни) а»:,хлнл'-~ — г --а -- — - - -- - р.«. 12 сверх которой возможные уровни образуют непрерывный спектр. Это наимрньшая энергия, при которой система может существовать и виде двух разделенных частей, находящихся на болыпом расстоянии друг от друга.
Ниже этой д ~,~,Ч2Л энеРгнп мы имеем РЯД ДНСНРетных Уровней энергии, соответствующих связанному состоянию системы. (Это описание в г духе двух постулатов нуждается в уточнении.) В качестве примера схемы термов в ,П ядерной физике рассмотрим схему дейРис.!2А. Схема уровней системы тРОНа, ПОКаваННУЮ Иа РИС. )2А. ДЕйтРОН протон е иейтрон. Поиаааво ос. ионное состоинне дейтрона и ие не имеет возбужденных состояний. Вго п»еп"'иа' ой ""' """"' "'"'.. энергия связи равна 22=2,2З га)эВ, сн прв анергин диссоип*иин дейтрона, превышающей анергвю Это означает, что область непрерыв =2,23 Мав.
Стрелил ойоиаианает НЫХ ЗНаЧЕНИй ЭНЕРГИИ НаЧИНаЕтСЯ ПРИ фоторссшеплевисдеотрова е энергии В над знерГией 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 диссоцпацню дейтрона, в результате которой общая кинетическая энергия протона и нейтрона оказывается равной Е,— В. Этот процесс исследован экспериментально весьма подробно. Ой 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 (ба). Утверждение об атоме, «перескакиваю- 104 щем» в другое состояние, не претендует на подробное описание процессов испускания и поглощения.
Зто 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 ли пь использовали соотнои«ение (5а). Рассмотрим теперь ситуацию, в которой мы столкнемся с трудностями, если слишком буквально будем понимать термин «скачок». Пусть фотон с частотой «з«поглощается атомом, первоначально находившимся в основном состоянии. Пусть частота «з«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 «»,.
Этот фотон может быть испущен в любых направлениях, и зто означает, что атом рассеивает свет частоты ы,. Допустим теперь, что падающее на атом излучение имеет частоту, немного отличную от частоты «з,. Будет ли при этом атом рассеивать свету Иа этот вопрос следует дать положительный ответ. Опыт показывает, что если частота «» меняется вблизи «з„то эффективность атома как рассеивателя меьяется: сначала она возрастает до резкого максимума при «з=«»«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 «»=Ф=«о,у Из картины «скачков», по-видимому, следует, что эта частота должна иметь «правильное» значение ы„такое, которое опытом не подтверждается: испущенное атомом излучение имеет ...стоту в, как этого и следовало бы ожидать на основании закона с>хранения энергии (и представления о фотонах). Зто явление известно под названием резании«ной флуорегцгнции. Его трудно понять, пользуясь представлени .. 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 «з,. 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 йт„и эффективность атома как рассеивателя, очевидно, будет самой большой в том случае, когда частота приходящей волны совпадет с ЧаСтатОй бйе. ДаЛЕЕ, И ЭтО ВЕСЬМа ВажНО, СУЩЕСтВУЕт ОПРЕДЕЛЕННОЕ соотношение между фазами приходящей и нспущенной волн, н между ними возникает интерференция, которую невозможно объяснить в рамках модели «скачков».
Наиболее серьезным дефектом модели Рис. ГЗА. Лтехзцпчсскзя модель зтоиз, яспол~ эуеиая прн объяснении реюнансной фггуорссцсации. Если это устроистзо аозбуднть ударом Огапрниер, при столк. нозеняи с электроном), оио начает колебаться, и, поскольиу электроны заряжены. будет излучаться элоктромаюпгт. пая энергия ка резонансных частотах системм Система будет терять энергию на налученне, и поэтому колебания будут затухать. Под деастаием падающей электромагнитной золны электроны атом г будут соисрюзть зыну;кдснные колебания с частотой полны а излучать на тоГ' ке частоте.
Это язление пазыязется 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, когеренгны ли рассеянная и поглощенная волны, может быль исследован экспериментально. Результат свидетельствует в пользу осцилляторной модели, которая предсказывает когеренгность.
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 резонанебыгн. 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 ие 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
