Квантовый скачок — как электрон переходит между атомными уровнями, не проходя через пространство между ними?

Электрон, который переходит между двумя атомными состояниями, не проходит никакого промежуточного пространства. Идея квантового скачка вводит в заблуждение и обычно неправильно понимается.

Во-первых, электрон — это квантовый объект. Таким образом, он действует и как волна, и как частица одновременно. Связанный как часть атома электрон в основном ведет себя как волна. Электрон распространяется в виде облачных волн, называемых «орбиталями». Если вы внимательно «посмотрите» на различные орбитали атома (например, атома водорода), вы увидите, что все они перекрываются в пространстве.

Поэтому, когда электрон переходит с одного атомного энергетического уровня на другой энергетический уровень, он никуда не уходит. Он просто меняет форму. Орбитальные формы с большим количеством флуктуаций (с большим количеством максимумов, минимумов и изгибов формы) содержат больше энергии. Другими словами, когда электрон переходит на более низкий атомный энергетический уровень, форма его волны изменяется, и в ней становится меньше изломов. Но электрон никуда не «скачет».

Волновое поведение электрона в атоме очень похоже на поведение классических волн на гитарной струне. Когда вы дергаете гитарную струну, вы возбуждаете в струне стоячие волны, которые и создают звук. Определенная струна может испытывать только определенные типы волн, потому что струна зажата с обоих концов. Типы волн, допустимых для конкретной струны, называются ее «гармониками».

Гармоники струны зависят от длины струны, натяжения и массы. Таким образом, конкретная гитарная струна (определенной длины, натяжения и массы) может воспроизводить только определенный тип звука, который представляет собой комбинацию ее гармоник.

Если вы очень внимательно относитесь к тому, как вы защипываете струну, вы можете создать волну на струне, которая в основном является нижней, основной гармоникой (у которой очень мало перегибов), или вы можете создать волну на струне, которая в основном является более высокой гармоникой (имеющий множество изломов). Это требует больше энергии и, следовательно, труднее сильно возбудить высшую гармонику в гитарной струне.

Кроме того, если вы правильно защипнете струну, чтобы сильно возбудить волну более высокой гармоники в струне, вы даже можете заставить струну перейти к гармонике с более низкой энергией. Волна на гитарной струне никуда не уходит, когда струна переходит из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией. Волна просто меняет форму.

Точно так же дискретный набор электронных орбиталей, возможных в определенном атоме, фактически является гармоникой атома. Электрон может перейти к форме волны с более высокой гармоникой, поглощая энергию и больше изгибаясь, или перейти к форме волны с более низкой гармоникой, излучая энергию и меньше изгибаясь (расслабляясь).

Здесь должно быть ясно, что электрон, который переходит в атоме, не совершает никакого скачка из одного места в пространстве в другое место в пространстве. Но вас все равно может беспокоить, что электрон совершает скачок с одного энергетического уровня на другой и, следовательно, обходит все промежуточные энергетические состояния.

Хотя речь идет о скачке в энергетических масштабах, а не о скачке в пространстве, такой скачок все же может показаться неестественным. Дело в том, что электрон, переходя в атоме, фактически не скачет с одного энергетического уровня на другой энергетический уровень, а совершает плавный переход.

Можно задаться вопросом: «Разве квантовая теория не говорит нам, что электрон в атоме может существовать только на определенных, дискретных уровнях энергии?»

Вообще-то, нет. Квантовая теория говорит нам, что электрон со стационарной энергией может существовать только на определенных, дискретных уровнях энергии. Это различие очень важно.

Под «стационарной энергией» мы подразумеваем, что энергия электрона остается постоянной в течение довольно длительного периода времени. Орбитали конкретного атома — не единственные разрешенные состояния, которые может принимать электрон в атоме. Это единственные стабильные состояния атома, а это означает, что когда электрон переходит в определенное состояние в атоме, он должен находиться в одном из орбитальных состояний.

Когда электрон находится в процессе перехода между стабильными состояниями, он сам по себе нестабилен и поэтому имеет меньше ограничений на свою энергию. На самом деле электрон, который переходит, не имеет даже четко определенной энергии. Врожденная квантовая неопределенность возникает в энергии электрона из-за его перехода.

Чем быстрее электрон переходит, тем более неопределенна его энергия. Эта «врожденная квантовая неопределенность» не является какой-то метафизической загадкой, а лучше понимается как волна, распространяющаяся по многим значениям. Точно так же, как электрон может распространяться в виде волны, которая распространяется на область пространства, он также может распространяться в виде волны, которая распространяется на область на шкале энергии.

Если вы подсчитаете среднюю энергию («математическое ожидание») разброса энергий этого переходного электрона, вы обнаружите, что средняя энергия электрона не перескакивает мгновенно с одного энергетического уровня на другой. Скорее, он в среднем плавно переходит с одного энергетического уровня на другой уровень энергии в течение определенного периода времени.

На самом деле никакого «мгновенного квантового скачка» не существует. Электрон не прыгает в пространстве и не прыгает вверх по шкале энергии. Фактически, термин «квантовый скачок» почти повсеместно избегается учеными, поскольку он вводит в заблуждение.

Если вы хотите получить лучший мысленный образ, вы можете представить электрон быстро, но плавно скользящим по шкале энергии от одного устойчивого состояния к другому. Поскольку типичный переход атомного электрона очень быстр (часто порядка наносекунд), человеческому восприятию он может показаться почти мгновенным, но на самом деле это не так.