Изучение времени жизни 2S-состояния атома гелия за последние сорок лет: синие точки показывают теоретические расчеты, красные точки — экспериментально полученные значения. Изображение из статьи S. Hodgman et al., 2009. Metastable Helium: A New Determination of the Longest Atomic Excited-State Lifetime
В отдельных случаях возбужденные состояния могут оказаться долгоживущими даже по обычным человеческим масштабам — а уж по атомным масштабам это будут экстремальные долгожители. Такая возможность означает, что внутри атома действует какой-то очень суровый закон, препятствующий излучению фотонов. Распадается это состояние только за счет того, что после множества неудачных попыток атом находит-таки возможность создать фотон и вернуться в основное состояние.
Простейший пример — возбужденное состояние атома водорода 2S. И начальное (2S), и конечное (1S) состояния электрона сферически симметричны. Один фотон просто не сможет излучиться при таком переходе. Поэтому превращение 2S → 1S происходит за счет одновременного излучения двух фотонов. Нетрудно догадаться, что это очень редкий процесс, и потому время жизни 2S-состояния в атоме водорода получается аж 0,122 секунды. Кстати, это время настолько велико, что его уже не удается измерить обычными методами, а приходится отлавливать возбужденные атомы в специальную ловушку и отслеживать распады в ней.
Еще больше время жизни у 2S-состояния в атоме гелия — больше двух часов! В отличие от водорода, в атоме гелия сидят два электрона, и из-за этого работают дополнительные причины, мешающие распаду возбужденного состояния. Измерять его еще труднее; собственно, это самое большое время жизни возбужденного состояния атома, измеренное в лабораторном эксперименте. Первые измерения были проведены в 70-х годах с очень большими погрешностями, и только совсем недавно оно было измерено с приемлемой точностью: 131 ± 9 минут.
Водородная линия 21 см Ридберговские атомы