Переход из 2P в 1S-состояние в атоме водорода — это один из самых быстрых процессов излучения фотона возбужденным атомом. Для других возбужденных состояний это время может быть намного больше. Есть разные причины, дополнительно затрудняющие излучение. Это может быть слишком маленькая энергия излученного фотона, несогласование пространственных конфигураций начального и конечного электронного облака, или слишком большой вращательный момент, который приходится уносить излученному фотону.
Симпатичной иллюстрацией того, как может задерживаться распад возбужденного состояния, являются ридберговские атомы. Так называют атомы некоторых элементов, у которых самый внешний электрон находится в очень возбужденном энергетическом состоянии: его главное квантовое число n (условно говоря, номер ступеньки в лестнице возбужденных состояний) может достигать тысячи! Такой атом можно представлять себе как компактный остов и далеко простирающееся облако возбужденного электрона. Ридберговский атом может иметь очень большие размеры, вплоть до долей миллиметра. Подумать только — один атом чуть ли не макроскопических размеров!
ПСПоскольку возбужденный электрон находится далеко от центра, все связанные с ним явления замедляются. Период движения внешнего электрона — уже не доли фемтосекунды, а во много тысяч раз больше, в пикосекундной или наносекундной области. На рисунке внизу показано, как может колебаться и деформироваться электронное облако в таком атоме при его движении в пространстве.
Ридберговский атом живет своей жизнью, замедленной по сравнению с типичными атомными временами. На рисунке показано, как может выглядеть его электронное облако в разные моменты времени. Тени рядом — это условное изображение того, что может увидеть детектор при облучении атомов, пролетающих мимо установки. Изображение с сайта physicsworld.com
МКСВремя жизни таких возбужденных состояний тоже быстро растет с увеличением n и составляет микросекунды и больше. Это намного превышает естественное время жизни возбужденного состояния, про которое мы говорили на предыдущих страницах. А это значит, что есть некоторые препятствия для распада этого возбужденного состояния. И в самом деле, испустить фотон и сразу упасть в основное состояние этот электрон не может — слишком уж непохожи друг на друга электронные конфигурации в начале и в конце. Он может распадаться каскадно, прыгая со ступеньки на ступеньку и каждый раз излучая по фотону. Однако между ступеньками очень маленькая разница энергий — и из-за этого такой процесс тоже очень замедлен.
Благодаря своим огромным размерам ридберговские атомы позволяют переводить вещество в новое, совершенно необычное состояние. Здесь показана кристаллическая решетка из атомов в основном состоянии. Некоторые из атомов переведены в ридберговские состояния, и их размер резко вырос. Даже если два таких атома находятся далеко друг от друга по узлам решетки, они всё равно чувствуют друг друга как бы «поверх» всей решетки. Изображение с сайта mpg.de
Вообще, с ридберговскими атомами можно делать много чего интересного — особенно когда имеется целый набор таких атомов. Но здесь уже начинается передний край атомной физики, на который мы залезать не будем, а ограничимся лишь ссылкой на популярную заметку про ридберговскую материю.
Атомы-долгожители Миллионы безуспешных попыток