§ 48. Энергия кванта

Электрон, вращающийся на орбите № 1, пребывает на низшем энергетическом уровне, так как он обладает минимально возможной энергией, равной – 13.6 эВ. Такой электрон не может излучать энергию, как не может разуться босоногий. Если внешнее поле отсутствует, как например, в глубоком космосе, то электрон на этом уровне может оставаться сколько угодно, хоть миллиард лет. По этой причине орбиту № 1 принято называть стационарной. Очевидно, чтобы излучить энергию, сначала ее надо получить. Например, от Солнца. Если электрон поглотит солнечный квант с энергией 10.2 эВ, он окажется на втором энергетическом уровне (орбита № 2), где его энергия равна – 3.4 эВ. Это легко проверить: Е₂ – Е₁ = –13.6 + 10.2 = – 3.4 (эВ) (48.1).

В возбужденном состоянии электрон будет недолго. Через долю секунды он излучит квант с энергией 10.2 эВ и вернется обратно на первый уровень. Возникает вопрос: может ли электрон захватить любой квант? Очевидно, нет. Представим разрешенные уровни энергии в виде ступенек лестницы. Поднимаясь по лестнице, мы должны ставить ногу точно на ступеньку, иначе рискуем оступиться и упасть. Так и электрон. Чтобы очутиться на более высокой орбите, он должен «поглотить» квант с энергией, в точности равной разности между конечным и исходным уровнями. Ведь других промежуточных орбит в атоме не существует.

Правда, могут быть варианты. Например, если электрон на орбите № 1 захватит квант с энергией, равной 12.1 эВ, то он перепрыгнет на орбиту № 3, минуя орбиту № 2. Это как если человек бежит вверх, перепрыгивая через ступеньки.

В принципе, электрон может оставаться на высшем уровне достаточно долго. Это случается, когда окружающее пространство заполнено излучением и электрону трудно отдать излишек энергии. Например, атом находится внутри раскаленной солнечной короны. Возможно, электрон излучает квант в пространство, но он тут же получает его обратно. В этом смысле все разрешенные орбиты тоже можно называть стационарными, так как, находясь на них, электрон сохраняет энергию. Это противоречит теории Максвелла, исходя из которой, электрон при непрерывном вращении должен постоянно излучать энергию, уменьшая радиус вращения, пока не упадет на ядро. Это не соответствует практике: ведь атомы стабильны. Очевидно, электрон излучает излишек энергии только при переходе с высшего уровня на низший. Как он это делает – тайна века! Фейнман говорил, что самая большая загадка электрона в том, что он имеет массу покоя. Действительно, свободный электрон имеет массу, это признак частицы. Но, находясь внутри атома, он легко поглощает и генерирует фотоны, которые не имеют массы покоя. Здесь есть о чем подумать.

Мы уже говорили, что электрон излучает квант в течение 10^-8 с независимо от величины его энергии. Это интересно. Допустим, электрон перескочил с уровня № 3 на № 2. В этом случае энергия кванта составит: Е₃ – Е₂ = -1.5 – (-3.4) = 1.9 (эВ) (48.2). Получается, что при переходе 2?1 энергия излучения в пять раз больше, чем при переходе 3?2, хотя время излучения одинаково. Это возможно, если скорость излучения в первом случае больше. Но скорость излучения есть энергия, деленная на время. Выходит, энергия кванта пропорциональна параметру, который измеряется в с^-1.

Такую размерность имеет частота, которую в квантовой физике принято обозначать как ?.

Обозначим энергию излученного кванта как ?_mn = E_m – E_n (48.3), где m, n – номера разрешенных уровней (m>n). Эта энергия пропорциональна некоей величине, измеряемой в с^-1, как частота ?. Но мы не можем просто написать: ?=?. Энергия измеряется в джоулях, а частота в герцах. Нужен переходный коэффициент. Обозначим его h. Тогда: ? = h? (48.4). Уравнение (48.4) определяет энергию кванта излучения. Величину h называют постоянной Планка. Интересно выяснить ее физический смысл. Перепишем (48.4) в виде h = ?/? (48.5). Из уравнения (48.5) следует, что постоянная Планка численно равна энергии кванта при ?=1 с^-1. Очевидно, в микромире 1 Гц это частота, которой соответствует минимальный квант энергии. Постоянную Планка h еще называют квантом действия. Расчеты показывают, что величина h = 4.114х10^-15 эВ с. Это действительно очень маленькая величина. Подчеркнем, что в теории квантов ? – это просто число, на которое нужно умножить h, чтобы получить энергию кванта.

Зная энергию кванта, легко вычислить его частоту. Перепишем (48.4) в виде: ? = ?₂₁/h (3.6). Тогда для кванта ?₂₁ = 10.2 (эВ) имеем: ? = 10.2/4.14х10^-15 = 2.47х10¹⁵ (Гц). Это большая величина, если под ? понимать частоту колебаний поля. Из теории Максвелла следует существование электромагнитной волны, которая перемещается со скоростью света. Герц опытами доказал, что такие волны существуют, по крайней мере, в диапазоне радиочастот. Предположим, что квант излучения есть фрагмент этой волны, причем частота кванта совпадает с частотой волны. Вычислим длину этого фрагмента. Если скорость кванта равна скорости света с = 2.99х10⁸ м/с, а время излучения равно 10^-8 с, то расстояние между началом и концом кванта равно: L = 2.99х10⁸ х10^-8 = 2.99 (м). По сравнению с диаметром орбиты электрона эти три метра огромная величина, почти бесконечность. В таком случае при изучении квантов мы можем использовать некоторые методы теории Максвелла-Герца, которая описывает идеальные бесконечные электромагнитные волны света.

Световые волны, согласно Герцу, занимают диапазон от 380 нм (фиолетовый край) до 760 нм (красный край). Попробуем вычислить «длину» волны для кванта с энергией ?₂₁ = 10.2 эВ. Согласно теории волн: ? = сТ = с/? = 2.99х10⁸/2.47х10^-15 = 1.21х10^-7 = 121 (нм). Выходит, квант с длиной волны 121 нм попадает за фиолетовый край, видеть его нельзя. Такой свет называют ультрафиолетовым. Кванты от переходов электрона с еще более высоких уровней на первый имеют еще большую частоту и, следовательно, еще меньшую длину волны. Значит, все они находятся в ультрафиолетовой зоне и тоже невидимы.

Возникает вопрос, какие кванты из спектра водорода может видеть человек? Для этого надо вычислить «длину» волны, соответствующую квантовому переходу, и сравнить её с диапазоном Герца. Попробуем вычислить ? для кванта, излучаемого при переходе с 3-го уровня на 2-й: ?₃₂ = – 1.5 – (– 3.4) = 1.9 (эВ). Соответствующая частота ?₃₂ = 1.9/4.14х10^-15 = 0.45х10¹⁵ (Гц), тогда ?₃₂ = 2.99х10⁸/0.45х10^-15 = 664 (нм). В справочнике по оптике находим, что эта длина волны соответствует красному цвету. Аналогичные расчеты дают: для кванта ?₄₂ длина волны ?₄₂ = 613 нм, что соответствует оранжевому цвету, для кванта ?₅₂ длина волны ?₅₂ = 433 нм, что соответствует темно-синему цвету. Из справочника известно, что атом водорода также испускает излучение с длиной волны 410 нм, имеющее фиолетовый цвет. Очевидно, оно соответствует кванту ?₆₂. Следующие кванты серии ?_m2 уже попадают в ультрафиолетовую область. С другой стороны, расчеты показывают, что при переходе электрона с четвертой орбиты на третью кванту ?₄₃ соответствует длина волны 1880 нм. Это лежит за инфракрасной границей. Кванту ?₅₃ отвечает длина волны 1278 нм, это тоже в инфракрасной области.