В океане энергии

В чем состоит главное свойство атома? Его энергия квантуется. Она не может быть любой, а всякий раз принимает одно из некоторых значений — уровней. Значение энергии определяет состояние атома. Все это справедливо и для молекул, но молекулы — системы более сложные, они могут принимать больше различных состояний, а правила, по которым определяют, какие состояния возможны, а какие нет, гораздо мудренее.

Большую часть времени атом проводит на основном уровне. Существуют возбужденные уровни, на которых энергия электрона больше, чем на основном. Переход атома из основного состояния в возбужденное происходит под воздействием какой-либо внешней причины. Напротив, из возбужденного состояния в основное атом может перейти сам по себе. При переходе с одного из возбужденных уровней на основной или вообще с высшего на низший уровень энергия атома уменьшается. Но конечно, она не исчезает бесследно. Энергия либо передается соседним атомам, либо выделяется в форме кванта электромагнитных колебаний. Энергия этого кванта равна разности энергий атома до и после перехода. Такую порцию электромагнитных колебаний называют фотоном. Частота колебаний фотона пропорциональна энергии. Это еще один из фундаментальных законов нашего мира. Значит, надо атом сначала перевести на возбужденный уровень, а затем он уже сам перейдет на основной с излучением кванта электромагнитных колебаний.

Как перевести атом в состояние с большей энергией (на более высокий уровень)? Есть много разных способов. Можно сообщить атомам тепловую энергию, как в керосиновой или электрической лампах, можно воздействовать на них электронами (экран телевизора), световыми квантами (светящиеся краски). Атомам можно передать энергию, выделяющуюся при протекании химической реакции (светлячок) и многими другими способами. Выждав некоторое время, атом сам по себе (спонтанно) возвращается на один из более низких уровней и излучает фотон. Такой фотон необязательно является фотоном видимого света, но это уже детали. Важно, что энергия фотона всегда равна разности энергии атома до и после перехода.

Каждый фотон вылетает в определенном направлении и уносит с собой не только порцию энергии, но и порцию количества движения, или импульс. Импульсы, так же, как и энергия, подчиняются законам сохранения, поэтому атом, испустивший фотон, обязательно приобретает дополнительный импульс (так называемый импульс отдачи), равный по величине и противоположный по направлению импульсу испущенного фотона. Все происходит как при выстреле из ружья, которое «отдает» в плечо. При спонтанном излучении направление, в котором испускается фотон, совершенно случайно. Именно поэтому в подавляющем большинстве случаев свет излучается источником во все стороны. Поскольку направления случайные, нет никаких оснований к тому, чтобы в каком-то одном направлении или вообще в какую-то сторону излучалось больше или меньше фотонов.