Предположим, что имеется (чернотелый) источник электромагнитного излучения. Он должен излучать конечное количество фотонов каждую секунду с графиком зависимости интенсивности от частоты, похожим на кривую распределения Максвелла-Больцмана. Каждый фотон имеет определенное количество энергии. Теперь источник находится напротив набора атомов элемента, например неона. Некоторые фотоны имеют точное количество энергии, необходимое для возбуждения электрона и, таким образом, перемещения его на энергетический уровень. Меня учили, что энергия, необходимая для того, чтобы поднять его на этот уровень, является точной или дискретной, больше или меньше, и электрон не поднимется на этот уровень.
Частота — или энергия — фотона может принимать любое значение и, таким образом, является непрерывной переменной. Следовательно, при распределении частот/энергий для фотонов из описанного источника вероятность того, что любой электрон обладает точным количеством энергии, необходимой для перемещения электрона на энергетический уровень, падает до 0. Несмотря на это, ясно, что я предположил это не так, потому что электроны явно поглощают точное количество энергии, необходимое для их перемещения вверх по энергетическим уровням, все время, как видно из спектров поглощения.
Поэтому мой вопрос: как мы можем увидеть все это поглощение, если вероятность того, что фотон имеет точную энергию в непрерывном масштабе, равна 0? Есть ли какая-то свобода действий в отношении того, сколько энергии переместит электрон на энергетический уровень?
Меня учили, что энергия, необходимая для того, чтобы поднять его на этот уровень, является точной или дискретной, больше или меньше, и электрон не поднимется на этот уровень.
Это идеальное утверждение, в основном верное для изолированного атома. Но даже когда это правда, это не означает, что другие взаимодействия отсутствуют (например, рассеяние или ионизация).
Во-первых, атом «видит» частоту приходящего излучения по-разному в зависимости от его скорости. Взаимодействия с другими атомами также могут влиять на процесс. Таким образом, при высоких температурах и высоких давлениях диапазон частот, которые могут быть поглощены одним атомом, увеличивается.
Более важным для повседневного опыта является то, что конфигурации молекулярных электронов (особенно по мере увеличения размера молекулы) значительно сложнее, чем изолированные атомы. Взаимодействия электронных оболочек означают, что дискретные, легко обнаруживаемые энергетические уровни исчезают с возможным широким диапазоном поглощения.
Азот, кислород, аргон в нашей атмосфере — хороший пример простых молекул, которым трудно поглощать широкий спектр света. Но как только вы создаете объемную материю, возможное поглощение возрастает, и становится все труднее найти материалы, которые будут проходить через большие частотные диапазоны.
Джон Кастер