Возбужденные атомы: 5. Атомы-долгожители
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.
Возбужденные атомы: 2. Быстротечная жизнь возбужденных атомов
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.
Для 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.
Возбужденные атомы: 1. Кто такие и где встречаются
Три изображения атома: стилизованное, упрощенное и более реалистичное. Упрощенная модель нарисована в соответствии с устаревшей боровской моделью атома, но она удобна для иллюстраций перехода электрона с орбиты на орбиту. Однако не поддавайтесь ложному впечатлению, которое она создает! Реальные электроны в атоме — это вовсе не маленькие шарики, которые летают по четко заданным орбитам; они больше напоминают размазанные в пространстве облака электронной плотности
Атомы — элементарные кирпичики вещества — устроены, на первый взгляд, очень просто. Внутри атома тяжелое и очень компактное ядро, вокруг которого движутся несколько электронов. Законы квантовой механики говорят, что электроны не могут двигаться как угодно, а должны образовывать определенную устойчивую конфигурацию, которая имеет наименьшую энергию и сама по себе уже не развалится. Эта конфигурация называется основным состоянием атома; практически все атомы вокруг нас — именно такие. Вся химия, всё многообразие веществ и материалов возникает из того, как взаимодействуют друг с другом атомы в основном состоянии.
Однако электронную конфигурацию можно «взбаламутить», посветив на атом светом или как-то иначе передав ему дополнительную энергию. Форма электронной оболочки изменится, полная энергия атома повысится, и атом перейдет в новое состояние, которое называется возбужденным. Опять же, по законам квантовой механики возбужденные состояния не могут быть какие угодно, они должны быть строго определенными, с некоторой дополнительной энергией, зависящей от типа возбуждения. Поэтому возбужденные состояния занимают определенные энергетические уровни, причем эта лесенка уровней энергии — своя для каждого сорта атомов.
Вверху: электронные облака для некоторых возбужденных состояний атома водорода. Внизу: энергетический спектр атома водорода. Изображение с сайта en.wikipedia.org
Передав атому очень много лишней энергии, его можно возбудить настолько сильно, что электрон попросту от него оторвется и улетит прочь. Такой процесс называется ионизацией, а получившийся положительно заряженный «недоатом» — ионом. Оставшиеся у иона электроны можно возбуждать дальше, но только лесенка, — или, на научном языке, спектр — возбужденных уровней энергии у него уже будет отличаться от исходного атома. Экстремальный случай возбуждения — это когда у атома отбирают вообще все электроны, и от него остается лишь голое ядро. Так бывает либо при очень высокой температуре, либо в экстремальных условиях, например, при поглощении сверхмощной световой вспышки.
То, что у каждого сорта атомов и даже у каждого типа ионов одного элемента есть свой собственный спектр возбужденных состояний, — очень помогает физикам. Это дает им исключительно удобный метод диагностики на расстоянии, без непосредственного контакта, и самого вещества, и физических условий, в которых оно находится.
Спектральный состав света, исходящего от полярного сияния, позволяет определить, какие именно молекулы испускают это сияние и с какой интенсивностью. Изображение с сайта atoptics.co.uk
Например, в глубоком космосе встречаются огромные облака частично ионизированного газа. От него идет свет, в спектре которого встречаются многочисленные линии излучения или поглощения. Расшифровав эти спектры, можно найти в них «личную подпись» каждого типа ионов, находящихся в том далеком облаке. Сравнив интенсивность линий друг с другом, можно узнать, каких ионов там больше, а отсюда оценить температуру и плотность газа. Ну а если вдруг в спектре светящихся космических облаков встретится какая-то «анонимка» — линия излучения, не соответствующая ни одному известному иону, — это производит в физике настоящий фурор. Один пример такой ситуации, которая развивается прямо на наших глазах, см. в новостях В спектрах скоплений галактик обнаружена неизвестная линия излучения и Новые результаты не подтверждают загадочную рентгеновскую линию излучения
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Рассмотрим произведение сот, которое с точностью до множителя 2я дает отношение времени жизни возбужденного атома к периоду колебаний. Согласно классическим представлениям ют определяет число колебаний за время высвечивания. Другими словами, это есть число волн в отдельном излучаемом атомом цуге. [3]
Рассмотрим произведение шт, которое с точностью до множителя 2л дает отношение времени жизни возбужденного атома к периоду колебаний. Согласно классическим представлениям шт определяет число колебаний за время высвечивания. Другими словами, это есть число волн в отдельном излучаемом атомом цуге. [4]
Уширение, связанное со столкновениями, существенно тогда, когда среднее время между столкновениями становится меньше времени жизни возбужденного атома или одного с ним порядка. Это приводит к расщеплению энергетических уровней ( эффект Штарка), которое проявляется в симметричном уширении и сдвиге спектральной линии. Оба эффекта, о которых говорится выше, существенны лишь в источниках с высоким давлением, таких, например, как дуга ( или искра) в воздухе. [5]
Этим определяется число ионов, которое в любой момент времени должно находиться в возбужденном состоянии. Время жизни возбужденных атомов мало, так как они теряют энергию в результате спонтанного излучения или вследствие каких-либо других процессов, поэтому их число должно быстро восполняться. Это означает, что для поддержания порогового числа возбужденных атомов необходимо обеспечить определенную максимальную скорость появления новых возбужденных атомов. [7]
Атомы в основном состоянии могут только поглощать фотоны, атомы в возбужденных состояниях могут как поглощать, так и испускать фотоны. Время жизни возбужденных атомов водорода имеет порядок величины 10 сек. [8]
Атомы в основном состоянии могут только поглощать фотоны, атомы в возбужденных состояниях могут кар; поглощать, так и испускать фотоны. Время жизни возбужденных атомов водорода имеет порядок величины 10 8 сек. [9]
Ограниченность времени жизни возбужденных атомов (8.2.22) предопределяет размытие их уровней вследствие квантовых законов, главенствующих в мире микрообъектов. [10]
Эмиссии кислорода соответствуют метастабильным состояниям со временем жизни соответствующих возбужденных атомов 0 74 и 110 с. А) отот дублет доминирует. [11]
Задача 5.9. Плотность возбужденных атомов N в газе, заполняющем объем, поддерживается постоянной по объему. Вычислить поток фотонов, выходящих за пределы системы, если форма линии излучения лоренцевская, коэффициент поглощения в центре линии равен &, а время жизни возбужденных атомов относительно высвечивания равно т и значительно превышает характерные времена установления равновесной плотности. [14]
Возбужденные атомы: 6. Водородная линия 21 см
Основное состояние атома водорода расщепляется на два очень близких энергетических уровня, которые отличаются лишь взаимной ориентацией спина ядра и электрона. При переходе с верхнего состояния на нижнее излучается фотон с длиной волны 21 см
Наконец, существуют настолько долгоживущие атомные состояния, что их время жизни даже не удается измерить экспериментально. Формально, атом в таком состоянии нестабилен и, будучи предоставлен самому себе, он рано или поздно излучил бы фотон. Но только ждать этого пришлось бы очень долго, да и затруднительно в лабораторных условиях настолько идеально изолировать атом от внешних воздействий.
Однако это вовсе не значит, что излучение, испущенное таким долгоживущим состоянием, вообще не удается наблюдать! В таких ситуациях иногда на помощь человеку приходит Вселенная. В глубоком космосе существуют условия, в которых огромные облака газа в возбужденном состоянии могут начать светиться: то излучение, которого мы не смогли дождаться в лабораторном эксперименте, мы видим в космосе.
Один пример такой ситуации — это знаменитая радиолиния водорода. Это излучение в радиодиапазоне с длиной волны примерно 21 см, которое идет из глубин космоса, от гигантских облаков холодного нейтрального атомарного водорода. Это линия излучения между двумя очень близкими уровнями энергии атома водорода, которые во всём похожи друг на друга и отличаются лишь тем, как спин электрона и протона ориентированы друг относительно друга. Одна ориентация обладает чуть-чуть большей энергией, чем другая, и из-за этого «основное» состояние электрона расщепляется на два: «по-настоящему основное» и чуть-чуть возбужденное. В атомной физике это явление называется забавным термином сверхтонкое расщепление. Радиолиния водорода — это излучение, которое испускает атом, возвращаясь из возбужденного состояния в «по-настоящему основное».
Когда физики теоретически рассчитали этот переход, они смогли оценить время жизни этого возбужденного состояния — примерно 11 млн лет. Обнаружить его в лабораторных условиях нереально — по крайней мере, если речь идет о самопроизвольном излучении (а вот вынужденное излучение водорода на длине волны 21 см, наоборот, изучено вдоль и поперек; на нем основан водородный мазер, микроволновой аналог лазера). Зато в глубоком космосе существуют настолько протяженные облака нейтрального водорода, что радиоизлучение от всего облака целиком видно отлично. Наблюдения галактик в радиолинии водорода — это один из главных инструментов исследования в радиоастрономии. С его помощью зачастую можно увидеть такие особенности строения галактик, которые незаметны другими методами.
