§ 124. Квантовая природа излучения

Мы уже говорили (на стр. 136), что изучение атомных явлений привело к открытию закона, согласно которому внутренняя энергия системы не может иметь произвольного значения, а характеризуется системой энергетических уровней. Излучение энергии связано с переходом системы с более высокого на более низкий уровень. Поглощение энергии связано с подъемом на более высокий уровень.

Это относится в первую очередь к электромагнитному излучению. Квантовая природа субмикроскопических явлений была открыта исследованием ряда противоречивых фактов, найденных в отношении электромагнитного излучения еще в начале нашего века.

Таким образом, испускание диполем электромагнитного излучения частоты происходит не непрерывно, а квантами (порциями). Величина энергии кванта равна где постоянная Планка, равная

Квантовая природа электромагнитных волн проявляется либо в излучении, либо в поглощении, так как и поглощение может происходить лишь квантами энергии. Если величина кванта энергии равняется разности каких-либо энергетических уровней системы, на которую падает волна, то процесс поглощения будет весьма отчетливым. Такое поглощение можно назвать резонансным. С точки зрения классической физики такое положение имеет место тогда, когда частота внешнего поля равна частоте колебаний частиц, из которых состоит система. Если величина кванта электромагнитной волны меньше разности энергетических уровней, то поглощение не может иметь места и такая волна будет свободно проходить через систему.

Вторичное излучение системы описывается на квантовом языке следующим образом. Система поглощает квант электромагнитной энергии и поднимается на более высокий энергетический уровень. На этом уровне система некоторое время существует, а затем возвращается на прежний энергетический уровень, отдавая при этом энергию также в виде кванта.

Как это непосредственно очевидно из формулы кванта энергии квантовые явления обнаруживаются тем отчетливее, чем больше частота излучения. Тем не менее в настоящее время обнаружена квантовая природа излучения практически всех участков электромагнитного спектра. Оказывается возможным обнаружить квантовое поглощение радиоволн длиной в несколько сотен метров (радиоспектроскопия, см. стр. 495).

Возникновение того или иного электромагнитного спектра излучения связано, прежде всего, с расположением энергетических уровней у такой системы и, далее, зависит от вероятностей перехода системы с уровня на Если бы эти вероятности были известны заранее вместе с картиной энергетических уровней, то предсказание спектра, излучаемого системой, было бы простой задачей.

Мы еще не раз вернемся к проблемам излучения и поглощения электромагнитной энергии, а сейчас займемся вопросами распространения электромагнитных воли, в которых квантовая природа излучения не проявляет себя, если явление не сопровождается поглощением и излучением энергии.