Рис. 8. Штриховые орбиты вокруг центрального ядра схематически описывают различные состояния электронов с данной энергией в атоме водорода. Значения энергии растут от центра наружу. Когда электрон перепрыгивает с внешней орбиты на внутреннюю, он излучает энергию. Для обратного прыжка нужен внешний источник энергии
Квантовая теория следующим образом объясняет возникновение линий поглощения и испускания. Рассмотрим в качестве примера газ, состоящий из простейших атомов — атомов водорода. На рис. 8 изображено строение этого атома с точки зрения квантовой теории. В центре имеется положительно заряженная тяжёлая частица, называемая протоном, а отрицательно заряженная частица — электрон — обращается вокруг протона. До создания квантовой теории движение электрона вокруг центрального протона представлялось загадочным. Действительно, согласно теории Максвелла, вращающийся по орбите электрон с неизбежностью должен излучать электромагнитные волны. Энергия, уносимая этими волнами, должна откуда-то браться; ясно, что источником этой энергии является собственная энергия движения электрона. Из-за потерь энергии электроном его орбита непрерывно сжимается, так что в конце концов электрон падает на центральный протон. Наиболее обескураживающим следствием этих рассуждений было то, что промежуток времени, за который все это происходит, чрезвычайно мал, порядка 10-10 с!
Таким образом, оставалось загадкой, каким образом атом водорода сохраняет свою структуру долгое время. Что препятствует электрону упасть на протон? Ответ был получен исходя из новых правил движения, сформулированных квантовой механикой. Эти правила вводят в традиционную картину атома новую концепцию дискретности. Согласно квантовой теории, электрон может обладать только дискретным набором значений энергии, и, следовательно, он занимает только одну из дискретного набора орбит, совместимую с его энергией. Наименьшая, орбита в этом наборе соответствует состоянию, в котором электрон имеет наименьшую энергию. Орбита не может иметь размер, меньший некоторого определённого значения, так что электрон никогда не может упасть на протон. Если же электрон получит извне дополнительную порцию энергии, то он перепрыгивает на более высокую орбиту в соответствии с тем, сколько энергии он получил.
Как определить эту дополнительную порцию энергии? На рис. 8 показаны две типичные разрешённые орбиты, на которых электрон имеет полную энергию, равную Е1 и Е2, причём Е2 больше, чем Е1. Для того чтобы перебросить электрон с первоначальной орбиты с энергией Е1 на орбиту Е2, нужно добавить ему энергию, равную разности Е2 - Е1.
Хотя рис. 8 носит схематический характер, он поясняет главную идею, что орбиты образуют дискретный набор, причём соответствующие энергии возрастают при переходе к внешним орбитам. Этот рисунок объясняет, почему электрон должен «перепрыгивать» с одной орбиты на другую, а не менять орбиту непрерывным образом.
Добавим теперь к этой картине световую волну в качестве поставщика энергии. В рассматриваемом примере на рис. 8 для того, чтобы перебросить электрон с энергетического уровня Е1 до уровня Е2 нужно, чтобы свет принёс энергию Е2 - Е1. Согласно квантовой теории света такой процесс переброса может обеспечить только фотон определённой частоты. Указанное ранее правило определяет эту частоту:
ν=(Е2 - Е1)/h
Итак, мы приходим к картине того, как излучение, состоящее из фотонов, избирательно поглощается при дискретных значениях частот в результате взаимодействия с атомами. Если фотоны имеют нужную частоту, они перебрасывают атомные электроны наверх по энергетической лестнице. Следовательно, фотон, поглощённый в таком процессе, уменьшает интенсивность излучения на данной конкретной частоте. Отсюда, тёмные линии в солнечном спектре обязаны своим происхождением поглощению излучения атомами, находящимися главным образом в атмосфере Солнца.
Например, оказывается, что линия, обнаруженная при длине волны 6563 Å и обозначенная Фраунгофером как линия С, возникает, когда электрон в атоме водорода переходит со второго на третий энергетический уровень. На основе квантовой теории были выполнены теоретические расчёты возможных уровней энергии в разных атомах, и теоретики имеют в своём распоряжении списки длин волн спектральных линий, связанных с переходами в таких атомах. Опытный астроном может, таким образом, идентифицировать тёмную линию данной длины волны в спектре звезды с ответственным за поглощение атомом. Таким образом, было установлено, что первоначальные фраунгоферовы линии обязаны поглощению атомами водорода, натрия и кальция в атмосфере Солнца.
Яркие линии испускания возникают в результате обратного процесса. Когда электрон перепрыгивает вниз с уровня энергии Е2 на уровень энергии Е1 он испускает фотон частоты ν = (Е2 - Е1)/h. Этот скачок вниз (в противоположность скачку вверх) может происходить спонтанно, в отсутствие излучения. Если же излучение «правильной» частоты присутствует, оно также способствует процессу перескока на нижний уровень. Испускание (или поглощение), сопровождаемое подходящим излучением, называется вынужденным испусканием (или поглощением). Скачок вниз в отсутствие внешнего излучения называется спонтанным
Мы приходим, таким образом, к важному выводу, что если определённый атом, действующий как поглотитель, обусловливает появление тёмных линий определённой частоты в спектре, то этот же атом, действуя как излучатель, будет давать яркие линии испускания той же частоты.
Как мы увидим далее, электроны в атомах, находящихся на горячей внешней поверхности звезды, приобретают большие энергии. Эти электроны затем перепрыгивают вниз по энергетической лестнице, приводя к появлению линий испускания в спектре звезды. Если нам удаётся идентифицировать эти линии, мы определяем, какие атомы находятся на внешней поверхности звезды.
Перейдём теперь от обсуждения ярких и тёмных линий в спектре к анализу непрерывного распределения света по волнам всех частот. В частности, рассмотрим распределение, которое имеет особое значение в фундаментальной физике и, как оказывается, существенно определяет тип спектра, получаемого от звезды.
ИЗЛУЧЕНИЕ ЧЕРНОГО ТЕЛА
Вообразите внутренность нагреваемой полости. Первоначально отдельные части полости будут горячее других частей. Эти более нагретые части испускают тепло в направлении более холодных частей, температура которых начинает при этом повышаться. Такой процесс продолжается до тех пор, пока все точки внутри полости не станут одинаково «горячими», т. е. будет отсутствовать поток тепла от одной точки к другой. В идеальной полости (стенки которой не пропускают тепло в. окружающее пространство) быстро достигается описанная равновесная ситуация.