Дело в химии. Как все устроено?

Эта самая «глубина» волны называется амплитудой, а расстояние между двумя гребнями (то есть между двумя вершинами) называется длиной волны.

Волны на поверхности воды – механические, поскольку создаются колеблющимся предметом; свет – это электромагнитная волна, она создается электромагнитным полем и распространяется в пространстве. Механическая волна нуждается в некой материальной среде для распространения, воде или воздухе, а электромагнитная волна способна распространяться даже в пустоте. Именно поэтому Вселенная кажется нам освещенной, но совершенно безмолвной: даже мощные взрывы и масштабные события, в силу отсутствия какой-либо материальной среды, которая своими колебаниями бы передавала звуковую информацию. Интересно, что энергия электромагнитной волны не зависит от ее амплитуды, только от длины этой волны. Радиоволны обладают самой низкой энергией во всем электромагнитном спектре, их длина волны варьируется от нескольких сантиметров до нескольких километров; за ними следуют микроволны (длиной от 1 мм до 10 см) и инфракрасные волны (длиной от 700 нанометров, то есть 0,0007 мм, до 1 мм). Видимый свет составляет лишь крошечную часть электромагнитного спектра, между длинами волн от 400 до 700 нанометров; самые богатые энергией излучения лежат в спектре длин волн ниже 400 нм: тут и ультрафиолетовые колебания (UV), рентгеновское излучение и гамма-излучение. Единственным различием между электромагнитными излучениями, исходящими от лампочки, радиоантенны и рентгеновского аппарата, служит длина волны.

Как же получается, что некоторые вещества поглощают волны лишь определенной длины? Чтобы ответить на вопрос, нужно углубиться в структуру материи.

Светлячки, медузы и микроволновка

В самом первом рассказе мы ограничились рассуждениями о том, что у атома есть ядро, состоящее из протонов и нейтронов и вращающихся вокруг него, как вокруг солнца, электронов. Эта модель очень упрощена, поэтому не до конца верна. Будущее положение планеты относительно ее звезды можно установить на основании данных о ее сегодняшней позиции с очень высокой точностью (это умели еще ученые античных времен), но квантовая механика показала, что выражение «орбита электрона» смысла не имеет – они не обладают сколько-нибудь точной траекторией. Мы можем вычислить лишь вероятность того, что некий электрон находится в некой точке пространства.

Кроме того, в макроскопическом мире энергия непрерывна, а в микроскопическом – дискретна. Что это значит? Представьте себе зал для игры в боулинг: вы можете взять шар и бросить его в сторону кеглей с той скоростью, какой хотите. Можете бросить его посильнее, а можете послабее, можете бросать его хоть сотню раз, и всякий раз чуть сильнее, чем в предыдущий. Вы полностью контролируете его энергию, и если потренируетесь, то и сможете контролировать и траекторию. А вот с электронами все не так. У него не только нет траектории, но «бросить» его с желаемой скоростью не получится: электрон может обладать только определенными уровнями энергии, без промежуточных значений.

Точно такие же закономерности работают и в сфере энергии вибрации и вращения молекул, она тоже может достигать только конкретных значений. Вообразите себе химические связи в виде пружины, как у куклы с качающейся головой на панели автомобиля. В макроскопическом мире вы можете заставить голову куклы трястись как угодно – достаточно сжать ее посильнее или отпустить, в квантовом мире химические связи могут осциллировать только с энергией V₁ или энергией V₂, но никогда с промежуточной.

Нам, химикам, нравится описывать подобное поведение с помощью термина энергетические уровни, что-то вроде ступеней энергетической лестницы. Вы находитесь либо на первой ступени, либо на второй, но не можете волшебным образом «болтаться» между ними. Выделяются также вращательные уровни (обозначим их буквой R), колебательные (V) и электронные (их обозначим буквой Е). Вращательные уровни связаны с вращением молекулы в пространстве, колебательные характеризуют колебания химических связей, а электронные показывают энергию вовлеченных в связи электронов.

Эти представления с трудом поддаются визуализации, но важно прежде всего понять, что эти энергетические уровни не являются чем-то «физическим», конкретным свойством. Это только способ описания энергии и поведения электронов.

Возвращаясь к нашей теме: мы уже узнали, что в квантовом мире не существуют орбиты и траектории, а энергия дискретна, то есть может принимать только определенные значения. Когда электромагнитное излучение встречается с материей, они могут реагировать только при одном условии – оно обладает энергией, достаточной для возбуждения атомов или молекул и перескока с более низкого на более высокий уровень. Это произойдет, если заставить их вращаться или колебаться быстрее или подтолкнуть электрон перейти с более низкого энергетического уровня на более высокий.