Равновесное излучение и стационарные уровни энергии в атомах

Равновесное излучение существует не само по себе: оно порождается веществом. Согласно основным принципам термодинамики, каждое тело с температурой выше абсолютного нуля участвует в радиационном теплообмене. В условиях равновесия спектр излучения совпадает со спектром теплового возбуждения тела. Этот спектр, как известно, сплошной, и он не зависит от сорта вещества; его вид определяется значением единственного параметра — температуры. Теория гласит: если два тела имеют одинаковые температуры, то это означает, что у них одинаковы спектры теплового возбуждения — в том числе, и по электронным степеням свободы.

Эти свойства равновесного излучения, как отмечалось выше, несовместимы с постулатом квантовой теории о способности атомов получать и отдавать порции энергии лишь из дискретного набора, соответствующего переходам между стационарными уровнями энергии — с учётом реального расположения этих уровней. Поскольку атомы различных сортов имеют индивидуальное расположение стационарных уровней, то их спектры теплового возбуждения электронных степеней свободы, в согласии с требованиями квантовой теории, принципиально не могут совпадать. Это означает, что атомы различных сортов принципиально не могут быть в тепловом равновесии друг с другом по электронным степеням свободы. Конечно же, этот вывод противоречит основным положениям термодинамики.

Похоже, это противоречие хорошо известно теоретикам: нам не удалось обнаружить в литературе даже намёка на то, что равновесное излучение может порождаться атомами, через электронное возбуждение. Но, пытаясь таким образом уйти от противоречия с термодинамикой, теоретики приходят к ещё большему противоречию с ней. Фактически, квантовая теория отказывает атомам в способности участвовать в равновесном радиационном теплообмене. Позвольте — если бы стала известна хотя бы одна субстанция с подобным свойством, то она оказалась бы счастливой находкой для конструкторов «вечных двигателей». А нас пытаются убедить в том, что такой находкой является не какая-то одна субстанция, а всё вещество на атомарном уровне организации. Мириться с такими глобальными противоречиями недопустимо — следует пересмотреть либо термодинамику, либо квантовую теорию.

Кроме этого противоречия, остаётся ещё проблема, связанная с происхождением равновесного излучения. Если оно порождается не атомами, то чем же? Нас уверяют, что за него ответственны молекулы. Действительно, при обычных температурах максимум равновесного излучения находится в инфракрасном диапазоне, в который и попадает излучение, соответствующее колебательным и вращательным степеням свободы молекул. Но, во-первых, колебательные и вращательные спектры, опять же, линейчатые, а не сплошные. Во-вторых, эти спектры отнюдь не сдвигаются в видимый диапазон при таком повышении температуры излучающего тела, когда оно, раскалённое, светится. Значит, колебательно-вращательное возбуждение молекул не может быть ответственно за равновесное излучение, и проблема с его происхождением остаётся нерешённой.

Вспомним, как Лорентц объяснял происхождение теплового излучения нагретого куска металла [10]. Он полагал, что тепловая радиация является результатом классического излучения из-за ускорений свободных электронов в металле при их соударениях с атомами решётки, причём частотный спектр этих соударений даёт результирующий спектр тепловой радиации. Не будем останавливаться на том, что концепция газа свободных электронов в металлах является спорной (см., например, [11]). Укажем лишь то, что признавал сам Лорентц: его теория тепловой радиации не работает для случая коротких длин волн, и, кроме того, неясно, «как распространить её не такие тела, как например кусок стекла, где мы вряд ли можем допустить наличие свободных электронов» [10]. Предположение о том, что равновесное излучение порождается тепловыми колебаниями атомной решётки, также оказывается несостоятельным. В самом деле, во-первых, это предположение могло бы иметь смысл лишь для решёток с разделёнными электрическими зарядами — например, для ионных кристаллов. Во-вторых, при повышении температуры не происходит сдвига спектра тепловых колебаний в сторону коротких длин волн — дело ограничивается увеличением амплитуды колебаний, о котором свидетельствует тепловое расширение тел. Как можно видеть, модели не-квантового происхождения равновесного излучения имеют два характерных недостатка: они применимы лишь для какого-нибудь одного типа излучающих тел и, кроме того, они не работают для случаев повышенных температур.

Таким образом, следует согласиться с тем, что происхождение равновесного излучения является квантовым. Но заметим, что равновесное излучение не может порождаться такими способами генерации квантов, которые известны из физики твёрдого тела — переходами электронов через запрещённую энергетическую щель, рекомбинацией электронов и дырок, и т. п. Дело в том, что расположение энергетических зон различно у различных материалов, поэтому и соответствующее излучение является характеристическим; равновесное же излучение одинаково для всех материалов.

Наконец, следует упомянуть о том, что газы, даже одноатомные, в условиях электрического разряда при достаточно высоком давлении излучают сплошной спектр. Впрочем, сплошной спектр дают сжатые раскалённые газы и без электрического разряда. Эти факты свидетельствуют о том, что атомы, вопреки квантовой теории, всё-таки способны излучать сплошной спектр. Поэтому атомы, на наш взгляд, вполне могут считаться кандидатами на роль генераторов равновесного излучения.

Действительно, чтобы с минимальными потерями распутать клубок вышеописанных противоречий, достаточно признать, что постулат квантовой теории — о способности атомов поглощать и излучать кванты лишь с дискретными энергиями — является слишком радикальным. На наш взгляд, вполне разумно допустить, что атомы способны принимать и отдавать не только резонансные кванты, но и нерезонансные.

Прежде чем сформулировать выводы, перечислим некоторые факты, которые свидетельствуют в пользу нашего допущения.