Однако переход электронов с более высокой орбиты на более низкую возможен. Это явление называется квантовым скачком, который, как и всё в квантовой физике, трудно представить наглядно. Электрон мгновенно исчезает с одной орбиты и возникает на другой. Если эта новая орбита имеет более низкий уровень, то электрон теряет энергию, которая испускается атомом в виде кванта излучения, т. е. фотона (рис. 112). Частота этого излучения равна, как мы знаем, энергии кванта, делённой на постоянную Планка. Если разность энергий между орбитами мала, то происходит излучение в красной области спектра, а если велика, то в синей или даже ультрафиолетовой его области.
Рис. 112. Схема испускания и поглощения фотона при переходе электрона на другую орбиту
Соответственно, для того чтобы совершить квантовый скачок на более высокую орбиту, электрон должен поглотить квант энергии. Величина этой энергии определяет орбиту, на которой этот электрон окажется. Электроны, следовательно, могут двигаться в атоме вверх и вниз скачками с одного квантового уровня на другой, не занимая промежуточных положений.
Это подобно тому, как постоялец в гостинице может переехать в другой номер, находящийся на несколько этажей выше или ниже прежнего, но никогда не согласится ночевать на лестнице. Аналогию можно продолжить, если предположить, что в данном отеле комфортность, а следовательно, и цена номеров увеличивается с повышением этажа проживания. Тогда при переезде на более низкий этаж постоялец получит разницу в стоимости, а при переселении наверх должен будет эту разницу доплатить.
Такое представление об атоме позволяет понять, почему испускание и поглощение света происходит не непрерывно, а отдельными участками, которые образуют линии спектра. Переходя с орбиты на орбиту, электрон испускает или поглощает не любое количество энергии, а только такое, которое соответствует разности квантовых уровней этих орбит. Допустим, энергия электрона, находящегося на самой высокой либо ~ орбите n, равна En , на орбите m – Em, а на орбите k – Ek . С орбиты En электрон может перейти либо на орбиту Em, либо на орбиту Ek. При этом он может испустить фотоны с энергией либо (En – Em), либо (En – Ek), либо (Em – Ek) без всяких промежуточных значений. Точно так же, поднимаясь с более низкой орбиты на более высокую, он может поглотить только те фотоны, энергия которых равна либо (En – Em), либо (En – Ek). Фотоны, обладающие другими значениями энергии, он оставит без внимания. Если номер на первом этаже отеля стоит 1000 рублей, на втором – 2000, а на третьем – 5000 рублей, то при переезде постоялец должен будет заплатить (или получить) 1000, 3000 или 4000 рублей. Никакие другие суммы при таком расчёте не могут быть использованы.
Всем известно, что многие вещества начинают светиться, т. е. испускать свет, в процессе их нагревания. Это происходит потому, что, приобретая энергию, атомы начинают совершать колебательные движения с большой амплитудой и чаще сталкиваются друг с другом. Потребляя тепловую энергию, их электроны переходят на более высокие орбиты. Долго удержаться на этих орбитах они не могут и возвращаются на освободившиеся низкие орбиты, испуская полученную энергию в виде фотонов света. Чем больше полученная энергия, тем больше будет и энергия испущенного фотона, а следовательно, тем больше будет и частота испускаемого излучения. Эта закономерность закрепилась в народном выражении: «раскалиться не докрасна, а добела». Она объясняется тем, что при небольшой степени нагрева предмет (например, металл) содержит мало энергии и её хватает только на низкочастотное красное излучение. По мере увеличения температуры в испускаемом спектре появляются волны, обладающие всё большей частотой, и в результате в нём начинают присутствовать все области спектра. Поэтому излучение становится белым. При ещё большем нагреве можно сдвинуть спектр в область ещё больших частот и получить голубое излучение. В астрономии известно, что цвет наблюдаемых звёзд зависит от их температуры. Самые холодные представляются нам красными, те, что погорячее, – белыми, а самые раскалённые – голубыми.
Проверьте свои знания
1. От чего зависит энергия электрона в атоме?
2. Что происходит во время квантового скачка?
3. Что требуется для того, чтобы электрон переместился на более высокую орбиту?
4. Как зависит цвет испускаемого нагретым телом излучения от температуры этого тела?
§ 44 Основные понятия квантовой физики
Я смело могу сказать, что квантовой физики никто не понимает…И если вы просто согласитесь, что, возможно, природа ведёт себя именно таким образом, то вы увидите, что это очаровательная и восхитительная особа. Если сможете, не мучайте себя вопросом «Но как же так может быть?», ибо в противном случае вы зайдёте в тупик, из которого ещё никто не выбирался. Никто не знает, как же так может быть.
Р. Фейнман, лауреат Нобелевской премии, один из крупнейших специалистов в области квантовой физики
Противоречивость квантового и волнового поведения света вызывала полное недоумение у физиков в начале XX в. В середине 20-х гг. противоречия удалось разрешить, создав новую науку – квантовую физику (квантовую механику). Новая наука позволила согласовать волновые и корпускулярные представления о природе света, а также объяснить строение атома, свойства элементарных частиц и другие при родные явления. Правда, для этого ей пришлось пожертвовать привычными и кажущимися очевидными представлениями об окружающем нас мире. Положения новой науки оказались настолько непривычными, что не только дилетанты, но и многие серьёзные учёные долгое время отказывались в них верить.
При знакомстве с основами квантовой физики лучше всего не задавать вопроса: «А как же это происходит на самом деле?» Ответ на этот вопрос всегда будет один: на самом деле именно так всё и происходит. Причина недоумения заключается в том, что многие явления и законы микромира резко отличаются от тех явлений, которые происходят в обычном для нас макромире.
Рис. 113. Луи де Бройль
Обычно всякое объяснение строится на аналогии: «это похоже на то, как…» или «это явление напоминает нам…». Для описания же того, что происходит в микромире, у нас нет никаких аналогий, потому что в макромире ничего подобного не происходит. Однако приходится поверить в эти законы просто потому, что они доказаны экспериментально и теоретически.
В 1924 г. молодой французский физик Луи де Бройль (1892–1987) (рис. 113), занимавшийся исследованием рентгеновского излучения, выдвинул необычайно смелую гипотезу. Он предположил, что если волны света обладают свойствами частиц, то и такие частицы, как атомы, протоны и электроны, должны обладать свойствами волны, т. е. свойство быть одновременно и волной, и частицей, называемое корпускулярно-волновым дуализмом (слово «дуализм» означает двойственность, двойную природу), присуще всем объектам микромира.
Не следует думать, что между микро– и макромиром существует резкая граница, где перестают действовать квантовые законы и начинаются привычные для нас законы физики. Как это ни удивительно, любой предмет можно рассматривать как волну. Допустим, что частица массой в 1 г движется со скоростью 1 м/с. Тогда её можно представить как волну, длина которой составляет 10-19 мкм. Эта величина настолько мала, что лежит за пределами любого измерения, поэтому говорить о волновых свойствах таких больших частиц не имеет никакого смысла. Для малых же объектов, таких как атомы и элементарные частицы, волновые свойства имеют очень большое значение.
Гипотеза де Бройля впервые была экспериментально подтверждена в 1927 г., когда для электронов было обнаружено явление дифракции, которая, как вы знаете, является непременным свойством волны. В дальнейшем были доказаны волновые свойства протонов и других элементарных частиц, а также атомов и молекул. В настоящее время эти волновые свойства широко используются в технических установках.
Рис. 114. Вернер Гейзенберг
Почти в одно время с де Бройлем молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976) (рис. 114) предположил: к квантовым процессам вообще неприменимы многие положения классической механики хотя бы по той причине, что при исследовании микромира невозможно само понятие «измерение» в том смысле, в каком оно понимается в макромире. Одним из основных понятий физики является скорость, т. е. расстояние, на которое тело переместилось за единицу времени. Но как мы можем узнать, что оно переместилось и тем более насколько оно переместилось? Очень просто: мы видим или каким-то образом определяем его месторасположение в один момент времени, а затем – через определённый промежуток времени. Но для того чтобы что-то увидеть, надо, чтобы от этого «чего-то» отразился фотон или электрон, который попадёт в наш глаз или в любой другой регистрирующий прибор. Но если отражение таких частиц практически не повлияет на обычный, пусть и очень маленький предмет, такой как бактерия или даже молекула, то на движении электрона он скажется весьма значительно, и тот изменит свою скорость. Получается, что мы не можем определить местонахождение электрона, не изменив при этом его скорости. В результате Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости, согласно которому, невозможно одновременно точно измерить положение частицы и её скорость. Чем точнее мы измеряем координату частицы, тем большую ошибку допускаем в определении её скорости, и наоборот.
