§ 54. Энергия микроскопических систем

Закон сохранения энергии и правила обмена энергией справедливы, разумеется, как для больших тел, так и для частиц, из которых построены тела. Однако при изучении частиц (атомов, ядер, молекул) или систем, состоящих из небольшого числа частиц, необходимо учитывать еще один важнейший закон природы. Энергия микроскопических систем не может принимать любые значения. Каждая система имеет свою, характерную для нее и только для нее, последовательность возможных значений энергии: На рис. 214 (стр. 454) изображена схема возможных уровней энергии атома водорода. Похожими рисунками можно изобразить энергетические уровни и других атомных систем. При сообщении системе тепла или работы энергия атомов, молекул или иных микроскопических систем может возрастать лишь скачкообразно, определенными порциями (квантами) энергии. Так же точно отдельными квантами и отдается энергия окружающим телам.

Строго говоря, закон о квантовом характере энергии, о наличии для каждой микроскопической системы «лестницы» возможных энергетических уровней является вполне общим законом природы, справедливым и для больших тел. Однако, как показывает теоретическая физика, у большого тела число энергетических уровней, грубо говоря, возрастает в раз, если тело состоит из атомов.

По мере возрастания энергии, как это видно из рисунка для водорода, уровни располагаются все теснее. Сближение этих уровней происходит у большого тела несравненно быстрее, чем у отдельного атома. Лишь самые низкие, бедные энергией уровни выглядят раздельно. Более высокие уровни сливаются, и практически оказывается, что большое тело может изменять свою энергию непрерывным способом. Если от тела отнимать энергию, то оно «спускается» на более низкие уровни. Квантовый характер изменений энергии проявляется поэтому тем резче, чем ниже температура тела, чем ближе она к абсолютному нулю.

При механическом воздействии энергетические уровни тела или системы смещаются. В подавляющем большинстве случаев проследить за этим смещением не удается. Для микроскопических систем — атомов и молекул — влияние давления очень мало.

Тепловое взаимодействие состоит в переходах системы с одного уровня энергии на другой.

Тепловое равновесие является подвижным равновесием. Каждое тело не имеет все время какую-то одну энергию, а непрерывно обменивается энергией со средой так, что в среднем энергия остается неизменной. Обмен энергией происходит порциями — квантами. Если в какой-то момент энергия равна то в последующий момент она изменится скачком до

Энергия отдается в виде излучения. Если то где частота излучения, постоянная Планка, равная эрг-с. Приобретение энергии может произойти или в

результате поглощения излучения, или в результате механического толчка какой-либо частицей.

Если температура не остается постоянной, а падает, то число переходов на нижние уровни с верхних подавляет обратные переходы. Энергия снижается скачками, тело отдает один квант излучения за другим.

Схематически описанные явления энергетического обмена были установлены вначале для атомов. Несколько позже стал очевидным вполне универсальный характер этой картины. Мы ограничимся сейчас этими общими замечаниями, отсылая читателя к ч. III за дальнейшими деталями.