Вверху: так в упрощенной картине обычно изображается излучение фотона при переходе атома из возбужденного состояния в основное.
Внизу: энергия излученного фотона равна разнице энергий электрона в возбужденном и основном состоянии. Поскольку возбужденных состояний много, водород может излучать свет на разных, но фиксированных длинах волн. Изображение с сайта hemi.nsu.ru
Самый главный факт про возбужденные состояния атомов таков:
| возбужденные состояния неустойчивы. |
Раз атом можно возбудить каким-то воздействием, вложив в него дополнительную энергию, то возможен и обратный процесс — атом может сбросить эту энергию (например, излучив фотон) и вернуться в основное состояние. Поэтому всякое возбужденное состояние атома имеет какое-то определенное время жизни; вот про эти времена жизни возбужденных атомов мы и поговорим.
Мы уже договорились, что мы не будем пытаться по-настоящему вычислить длительность того или иного квантового процесса. Даже студенты-физики начинают этим заниматься лишь на третьем курсе университета. Мы лишь возьмем на вооружение главные руководящие правила, которые помогут нам почувствовать характерные временные масштабы явлений.
Правила эти такие:
- Для каждого класса явлений существует некоторое опорное время, которое зависит от типичных энергий и от характера взаимодействий. Если процессу ничто больше не мешает, его длительность — порядка опорного времени.
- Если же есть какие-то препятствия для этого процесса, — и мы уже приводили некоторые примеры таких препятствий, — то процесс замедляется.
НСДля нашего класса явлений — возбужденный атом излучает фотон и возвращается в основное состояние — опорное время составляет наносекунды. Примерно столько времени живут возбужденные состояния атомов, когда излучению фотона не мешают ни квантовые особенности внутри атома, ни внешние условия. В университетском курсе квантовой механики расчет таких процессов начинают с простейшего классического примера — возбужденного состояния атома водорода, в котором электрон находится на p-орбитали (состояние 2P). Такой электрон может легко излучить фотон и спуститься в основное состояние (1S) — никаких особых препятствий для этого нет. Время жизни такого возбужденного состояния как раз составляет τ (2P → 1S) ≈ 1,6 нс.
Миллионы безуспешных попыток Возбужденные атомы: кто такие и где встречаются