Схематичное изображение процесса излучения фотона возбужденным атомом. Электрон на возбужденном уровне может циркулировать многие миллионы «естественных» периодов, прежде чем вдруг соблаговолит испустить фотон и прыгнуть в основное состояние.
И сразу же нужно признаться: на предыдущей страничке мы чрезмерно упростили картину, умолчав о важной особенности. Теперь самое время немножко это описание поправить.
На самом деле, естественное время для электрона — это, условно говоря, период его движения в атоме T0. Это опорное число можно получить, просто поделив «длину атомной орбиты» на скорость
| T0 = | 2 π aB | ≈ 100 ас, |
| v0 |
где aB ≈ 0,5 Å — боровский радиус, а v0 ≈ 0,01 c — скорость электрона в атоме водорода, а можно и из соотношения неопределенностей для энергии и времени:
| T0 ≈ | ℏ | ≈ | 10−15 эВ · с | ≈ 100 ас. |
| E0 | 10 эВ |
АСВ многоэлектронных атомах дело обстоит еще хитрее. Эти оценки более-менее подходят для внешних электронов, а вот для внутренних, которые располагаются близко к ядру и движутся быстрее, характерный период естественного движения получается еще меньше. Таким образом, внутренняя жизнь атома разворачивается на аттосекундных масштабах.
А мы на прошлой страничке привели совсем другое число — наносекунду. Это в миллионы раз больше, чем естественный «жизненный цикл» даже внешнего электрона, не говоря уж о внутренних. Сопоставляя эти вещи друг с другом, мы приходим к важному физическому выводу:
| сам процесс излучения фотона — большая «головная боль» для электрона, а потому он замедлен по сравнению с естественным периодом электрона в атоме. |
постоянная тонкой структурыПричины тут две. Во-первых, электромагнитное взаимодействие не такое уж и сильное. Условно говоря, даже если электрон «готов излучать», он вначале подождет какое-то время, прежде чем породить вокруг себя квант электромагнитного поля. В формулах так получается потому, что безразмерная константа электромагнитного взаимодействия — она по историческим причинам называется постоянная тонкой структуры — не слишком велика.
Вторая причина такова: фотон — слишком большой для атома. Обычно на этом как-то не заостряется внимание в научно-популярных материалах. Более того, картинки, на которых схематично изображено, как возбужденный атом излучает фотон, создают обманчивое впечатление, будто фотончик — это что-то такое очень маленькое (увы, и наша иллюстрация тут не исключение!). На самом же деле минимальный размер оптического фотона в тысячу (!) раз больше размера атома. Поэтому процесс излучения следует представлять себе так: сначала был возбужденный атом, а потом произошел акт излучения, и рядом с маленьким атомом вдруг возник огромный — по атомным масштабам! — фотон, который затем полетел по своим делам.
Излученный фотон — большой! Его длина волны, а тем более размер — много больше размера атома
Вот и получается, что совокупность этих двух эффектов — плохое «сцепление» с фотоном и его большущие размеры — затрудняет процесс излучения. Они оба так или иначе связаны со слабостью электромагнитного взаимодействия. Поэтому окончательный результат — во сколько раз время жизни больше периода движения электрона — выражается через ту же постоянную тонкой структуры:
| τ (2P → 1S) ≈ численный коэффициент · | T0 | ≈ 107 T0. |
| α3 |
Иными словами, возбужденное состояние атома «ломается» не сразу же после возникновения. Электрон успевает прожить в таком состоянии как минимум несколько миллионов «естественных тактов» своей внутриатомной жизни, прежде чем он удосужится излучить фотон.
Ридберговские атомы Быстротечная жизнь возбужденных атомов