снн задала хороший вопрос, но не в той теме, и поэтому я создал новую тему (тем более, вряд ли кому-то кроме снн это будет интересно). Я даже не очень понял, этот вопрос по физике или больше по камасутре. Но, так как я не специалист по камасутре, отвечу что знаю по физике. И пару слов по камасутре.
Кстати, я вот в камасутре не силён, объясните мне, неопытному, почему цифра "∞" не то на попэ, не то на грудэ похожа? Хотя на этих обоих также и цифры ε, ꙍ и φ похожи.
Не задумывалась никогда. Мне больше стоячая 8 нравится.
А я вот в физике не сильна. Есть возбужденные атомы. Но сколь долго длится их неудовлетворение? Одинаково ли оно по времени при контакте с различными телами?
"
стоячая 8" напоминает пару отверстий, расположенных одно над другим. При классическом написании восьмёрки (
8 ) верхнее отверстие несколько меньше нижнего.
"
Есть возбужденные атомы. Но сколь долго длится их неудовлетворение? Одинаково ли оно по времени при контакте с различными телами?" - Всё, что я тут ниже скажу, прошу не воспринимать как лекцию, ибо возможно, я дико не прав.
У свободного атома или иона только одно стабильное состояние - основное, оно же нижайшее. Все возбуждённые состояния - суть нестабильные. Но в разной степени.
Грубо говоря, все переходы в атомах/ионах из возбуждённого состояния в какие-то низлежащие (не обязательно сразу в основное), можно разделить на 3 группы:
1) спонтанные;
2) индуцированные или ускоренные внешними факторами (например, лазеры, столкновения; тепловые колебания - фоНоны);
3) замедленные внутренними факторами (квантовые запреты, запреты по симметрии и запреты по законам сохранения импульса и момента импульса).
Мысль в сторону. Насчёт 3) я поймал себя на том, что я абсолютно всё забыл о возможных причинах 3). Мне стыдно? Поверьте, есть очень много других причин, по которым мне должно быть гораздо более стыдно. Но зато я могу пофантазировать, какие это могли бы быть причины, что атом возбудился, и не может свалиться назад. Пусть это даже вызовет истерический смех у специалистов по физике атома или Странника. Например:
А) Электрон в атоме возбудился из какого либо состояния с орбитали 2р в состояние с орбиталью 3s. Но пока он там был, его место занял другой электрон, перейдя с орбитали 1s или 2s на его орбиталь 2p (тоже испустив или поглотив фотон, не важно). Тогда в атоме в этот момент окажется свободной орбиталь 1s или 2s. А переход с орбитали 3s на 1s или 2s запрещён правилами отбора, так как не меняется орбитальное число (s остаётся s). И электрон на некоторое время застрянет в своём возбуждённом состоянии.
Б) Допустим электрон в атоме не свободный, а является ионом примеси в кристаллической решётке. Спектроскописты считают такие ионы условно свободными (при температурах не выше ~50 К, когда тепловое движение невелико) и рассматривают их спектры как спектры свободного иона. Ионом атом стал не потому, что его ионизировали, а потому что его внешние электроны завязли в межатомных связях и как бы вышли из игры.
Но раз ион уже не совсем свободный, то он может получать энергию от колебаний крист. решетки - от фоНонов. В некоторых случаях возбуждённые от фононов электроны могут сваливаться опять в низшее энергетическое состояние, излучая фотон. Но тут проблема в том, что у фоНона спин ноль, а у фотона спин 1. Поэтому фоНон возбуждает электрон в другое состояние без изменения орбитального числа, а чтобы вернуться назад с излучением фотона, электрон должен изменить своё орбитальное число на +- 1. Сходу он это сделать не может, поэтому надолго застревает в своём возбуждённом состоянии. Он, конечно, может испустить и фонон опять (совершить безызлучательный переход). Но эти процессы уже не так быстры, потому что скорость звука намного меньше скорости света, и частоты колебаний решётки (оптических фононов) намного меньше частот фотонов.
Нормальные разрешённые переходы с излучением - суперкороткоживущие - живут в среднем наносекунды.
Когда в атоме электрон оказывается на энергетическом уровне, с которого он не может свалиться сам, спонтанно испустив фотон, из-за различных квантовых запретов и правил отбора, то это значит, что он оказался на метастабильном уровне. Продолжительность жизни такого состояния в миллионы, а то и миллиарды раз дольше, чем на уровне, где нет запретов на спонтанное излучение.
Но можно задать вопрос, а почему в миллиарды, а не в бесконечность раз дольше? Потому что:
Во-первых, чисто теоретически, в большинстве случаев, квантовый запрет на переход с излучением фотона означает, что он запрещён только в первом приближении, но может быть не запрещён во втором. Например, электрический диполь может излучать радиоволны. А если рядом с ним поставить противоположный диполь, то вроде как диполь исчезает и излучения не будет. Но всё-таки остается то, что называется квадруполь. И квадруполь тоже излучает, пусть хоть и на порядок слабее. Так же и в оптике там, где запрещён электродипольный или магнитодипольный переход, может быть не запрещён электро- и магнито-квадрупольный переход. Просто его вероятность будет намного меньше и спектральная линия будет намного слабее.
Во-вторых, существуют неучтённые в запретах слабые взаимодействия типа спин-орбитального (тонкая структура спектра) и электронно-ядерное (сверхтонкая структура спектра). За счёт этих тонких взаимодействий появляется небольшая вероятность обойти запрет.
В-третьих, в реальных условиях всегда есть посторонние тела, поля и столкновения. Они тоже не учтены запретами.
В-четвёртых, существуют внутриатомные переходы (типа конверсии), позволяющие изменить состояние без (или почти без) изменения энергии и без излучения фотона.
В-пятых, есть и редкие двухфотонные переходы.
Так что, каким бы запрещённым ни был переход, рано или поздно он произойдёт. И, в большинстве случает, не так уж поздно. По крайней мере атом, так или иначе, уйдёт из своего возбуждённого состояния.
Тут одним из исключений по долгожительству можно считать запрещённый переход спин вверх - спин вниз у электрона в атоме водорода - знаменитое реликтовое излучение длиной волны 21 см, из-за которого многие астрофизики рассуждают о возрасте вселенной. Вроде как его вероятность равна 1 раз в 11 миллионов лет. Но это из-за того, что у атома водорода и всего один электрон, и всего один протон в ядре. Т.е. нету за счёт чего обойти запрет. Но и отдельный атом водорода, вообще-то, это не нормально, обычно молекула Н
2, а там всё по другому.
Наоборот же, стимулированное излучение как в лазерах (групповуха) и тепловое уширение уровней как в кристаллах (толкотня), намного быстрее снимает возбуждение. Тепловое уширение ускоряет излучение или, что тоже самое, укорачивает время жизни состояния из-за принципа неопределённости Шрядингерра.
ΔEΔt =
h/2
По этому принципу, чем короче время жизни атома в определённом состоянии (т.е. меньше неопределённость по времени), тем шире отметка на оси энергии, соответствующая этому уровню (т.е. тем больше неопределённость по энергии), и тем шире спектральная линия в спектре излучения.
Когда на атом налетает другой атом или фонон, они трясут атом и сдвигают его уровень энергии из-за появления своих электрических полей. Это приводит к концу времени жизни данного состояния в его первозданном виде, и уширяет его (из-за Шрядингерра). Уширение уровня означает, что увеличивается вероятность попасть в резонанс с другим объектом, например, с виртуальным фотоном вакуума. В результате излучение происходит быстрее (это если изолированный свободный атом). И если атом не свободный, а как примесь кристалле из двух или более хим. элементов (несколько подрешёток), уширение уровня увеличивает вероятность излучить оптический фонон.
================================================
Есть такое явление Люминесценция, так там вообще электрон может застрять на сутки в "возбуждённом" состоянии. Но это уже не будет возбуждённым состоянием атома, а скорее энергией химической связи в люминофоре.
Люминофоры - уже ни в коем случае не свободные атомы/ионы, а суть кристаллы (основы) с примесями, причём, кажется, с примесями двух типов - так называемые 1) ловушки и 2) центры свечения. Причём кристаллы (основы), должны быть фотополупроводниками, т.е. становиться проводниками под воздействием освещения.
Я не могу щас сказать за природу люминесценции (она не так проста).
Кое-какое описание нашел в допотопной статье с рисунком:
http://www.hij.ru/read/detail.php?ELEMENT_ID=1652Там, как всегда, ничего не понятно, но, как я понимаю, там фишка в том, что примесь-ловушка оказывается в "возбуждённом" состоянии весьма извратным способом. Примесь-ловушка типа становится отрицательным ионом за счёт ионизации другого атома кристалла-основы за счёт комбинации поглощения фотона освещения с испусканием высокоэнергетичного фоНона кристалла. Т.е. фотон освещения должен поглотиться кристаллом-основой и оторвать электрон от одного из атомов основы кристалла так, что этот электрон станет условно свободным, т.е. электроном проводимости (это обычное явления фотопроводимости). Но дальше этот "свободный" электрон будет двигаться по кристаллу пока не наткнётся на ловушку.
Ловушка же есть акцепторная примесь, т.е. на ней сидит "дырка" (т.е. свободное место для электрона на электронной оболочке (это не есть положительный заряд, а лишь пустая и неспаренная с соседними атомами ветка электронной оболочки)). И эта акцепторная примесь-ловушка с радостью захватит себе этот гулящий электрон, так как у неё есть свободное место на орбитали. Это называется электрон-дырочная рекомбинация. При этой рекомбинации и испустится тот самый высокоэнергетичный фоНон.
Это всё должно успеть произойти достаточно быстро, пока оторванный электрон не успел вернуться назад домой, ибо он туда притягивается электрически по закону Кулона, ослабленного экранированием от других электронов в кристалле.
Так и сидит этот захваченный ловушкой электрон довольно долго (до суток ареста). А его местожительство дома, как я понимаю, уже заполнено каким-нибудь другим приблудным электроном, так что возвращаться ему некуда.
Отрыв электрона и захват его ловушкой - это уже само по себе не очень тривиально, поэтому на "заряжание светом" и требуется долгое время (~ час).
Но дальше для люминесценции нужно, чтобы всё пошло обратным путём. И "испустить высокоэнергетичный фоНон" - это было ещё пустяки по сравнению с "поглотить высокоэнергетичный фоНон", ибо таковых в кристалле почти нету при комнатных температурах. А именно это, поначалу, и нужно, чтобы обратно оторвать тот наш изначальный электрон из ловушки и опять сделать его электроном проводимости. Вот на это и уходит много часов. Правда, если нагреть, то всё произойдёт гораздо быстрее.
Так или иначе, это рано или поздно происходит.
До сих пор я как бы всё понимаю. Но дальше идёт то, чего я не очень понимаю. Казалось бы, наш электрон, став опять электроном проводимости, начнёт блуждать по кристаллу в поисках своего нового дома, т.е. какого-либо другого ионизированного атома кристалла-основы, которых ранее образовалось множество пока на кристалл светили для "заряжания" светом. И если он найдёт такой, то он рекомбинирует с этим ионом и излучит такой же фотон, как был затрачен в самом начале. А вот чтобы излучить фотон с энергией поменьше, ему надо раньше наткнуться на примесь второго сорта - примесь-центр свечения. Но для этого эти примеси-центры свечения тоже должны быть заранее "ионизированы". Вот этого я и не понимаю - если они при освещении "ионизировались", то потом из-за диффузии электронов, оторванных от других атомов кристалла, они должны перестать быть ионами. Да, какие-то атомы в кристалле (как основы, так и примеси-центры свечения) останутся ионизированными, но это скорее всего будут атомы основы, ибо их намного больше.
Несколько попонятнее мне было бы, если бы примеси-центры свечения были донорами, т.е. с лишним электроном, который, за ненадобностью, ушёл далеко гулять и оставил свой дом положительно заряжённым ионом и застрял где-нибудь рекомбинировав с дыркой примеси-ловушки-акцептора. Ну, может быть, так оно и есть.
Так или иначе, во всех случаях люминесценции любой природы, имеет место не супердолгоживущее возбуждённое энергетическое состояние одного конкретного атома, а сохранение этой энергии в другом виде в веществе (!!!) - в кристалле или жидкости-газе (а может быть и просто в молекуле) - в виде долгоживущих химических связей. Само же возбуждённое состояние отдельного атома, при всех запретах и метастабильности, не проживёт и минуты, если не секунды (ИМХО).
===============================
Насчёт спонтанного излучения, считается, что оно, на самом деле, происходит не само по себе, а из-за взаимодействий с флуктуациями физического вакуума и его виртуальными фотонами. Т.е. тоже на самом деле индуцированное.
===============================
Любая конструктивная критика и корректировка - welcome. Велкоме, велкоме мучо ...
