Квантовая физика

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.

Электрон в атоме модели Бора
Электрон в атоме модели Бора, перемещающийся с квантового уровня n=3 на n=2 и испускающий фотон.

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.

Показать больше
Подписаться
Уведомление о
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Back to top button