С вопросом о ширине спектральных линий, принадлежащих атомам, находящимся в постоянных внешних условиях, тесно связан вопрос о спектре атомов, подвергающихся действию внешних сил, которые существенно изменяются за время, по порядку величины совпадающее со средним временем жизни стационарных состояний. Такая проблема возникает в некоторых из экспериментов Штарка по действию электрического поля на спектральные линии. В этих экспериментах излучающие атомы движутся с большими скоростями и время, в течение которого они движутся между точками, в которых напряжённость электрического поля изменяется очень мало, составляет малую долю от среднего времени жизни стационарных состояний, связанных с исследуемыми спектральными линиями. Тем не менее Штарк обнаружил, что излучение от движущихся атомов, исключая обычный эффект Допплера, зависело от электрического поля в любой точке пути таким же образом, как изучение от покоящихся атомов, подвергающихся постоянному действию поля в этой точке. Хотя, как это подчёркивалось различными авторами ¹, интерпретация этого результата вызывает очевидные трудности при обычном квантово-теоретическом описании связи между излучением и процессами перехода, ясно, что результаты Штарка находятся в соответствии с подходом, развиваемым в настоящей работе. Действительно, при прохождении атомов через поле движение в стационарных состояниях изменяется непрерывным образом и вместе с ним непрерывно изменяются виртуальные гармонические осцилляторы, соответствующие возможным переходам. Действие виртуального поля излучения, связанного с движущимися атомами, будет, следовательно, таким же, как и в случае движения атомов в постоянном поле, во всяком случае, если, как эта имеет место в экспериментах Штарка, излучение, возникающее на других участках их пути, не достигает тех частей аппаратуры, от которых зависит наблюдение явления. На примере рассмотренных явлений можно также проследить, как благодаря симметрии нашего описания по отношению к связи поля излучения с процессами перехода, идущими в том или другом направлении, обеспечивается далеко идущая взаимосвязь наблюдаемых явлений испускания и поглощения.

¹ Ср.: К. Föгstеrling. Zs. f. Phys., 1922, 10, 387; A. I. Dempster. Astrophys. Journ., 1923, 57, 193.

§ 4. Квантовая теория спектров и оптические явления

Хотя с точки зрения квантовой теории наблюдение оптических явлений в конечном счёте зависит от скачкообразных процессов перехода, адекватная интерпретация этих явлений, как уже было подчёркнуто во введении, содержит элемент непрерывности, подобный тому, который проявляется в классической электродинамической теории распространения света через материальную среду. С точки зрения последней теории явления отражения, преломления и дисперсии света связываются с рассеянием света атомом, которое обусловлено вынужденными колебаниями отдельных электрических частиц под действием электромагнитного поля излучения. Постулат о стабильности стационарных состояний на первый взгляд должен привести к фундаментальным трудностям при интерпретации такой картины взаимодействия. Однако кажущаяся противоречивость в известной мере преодолевается благодаря принципу соответствия, который, как было упомянуто в § 1, приводит к сопоставлению реакции атома на поле излучения с рассеянием, которое, согласно классической теории, должно возникать при наличии набора виртуальных гармонических осцилляторов, связанных с различными возможными переходами. Следует также помнить, что аналогия между классической теорией и квантовой теорией, которая устанавливается принципом соответствия, имеет по существу формальный характер; это особенно ярко иллюстрируется тем фактом, что с точки зрения квантовой теории поглощение и испускание излучения связаны с различными процессами перехода и тем самым с различными виртуальными осцилляторами. Вместе с тем именно этот пункт, очень важный для интерпретации экспериментальных результатов, относящихся к спектрам испускания и поглощения, по-видимому, позволяет проследить, каким образом явления рассеяния связаны с воздействием виртуальных осцилляторов на испускание и поглощение излучения. В следующей работе мы надеемся показать, как, исходя из такой точки зрения, может быть построена теория дисперсии, подобная теории Ланденбурга ¹. Здесь же мы ограничимся тем, что ещё раз подчеркнём непрерывный характер оптических явлений, который, по-видимому, не позволяет дать интерпретацию, основанную на простои причинной связи с процессами перехода, происходящими в той среде, где распространяется излучение.

¹ Набросок такой теории был дан Крамерсом в письме в «Nature», опубликованном в апреле 1924 г.— Прим. авт. при корректуре.

Поучительным примером рассуждений такого рода является обсуждение экспериментов по спектрам поглощения. Строго говоря, нельзя сказать, как это часто делается ради краткости, что ярко выраженное поглощение одноатомными парами света, частота которого совпадает с частотой каких-либо линий спектра испускания атомов, вызывается процессами перехода, которые происходят в атомах паров под действием цугов волн падающего излучения, обладающего частотами линий поглощения. Появление этих линий в спектроскопе обусловлено уменьшением интенсивности падающих волн, которое происходит вследствие особенностей испускания вторичных сферических волн каждым из освещаемых атомов, в то время как индуцированные переходы появляются только в качестве сопровождающего эффекта, благодаря которому обеспечивается статистическое сохранение энергии. Наличие вторичных когерентных волн обусловливает в то же время аномальную дисперсию, связанную с линиями поглощения, что особенно ясно проявляется в открытом Вудом ² явлении селективного отражения от стенки сосуда, содержащего пары металла при достаточно высоком давлении. С другой стороны, индуцированные переходы между стационарными состояниями непосредственно наблюдаются в излучении флуоресценции, которое возникает благодаря присутствию небольшого числа атомов, переведённых при освещении в стационарное состояние с более высокой энергией. Как известно, излучение флуоресценции может быть подавлено примесью посторонних газов. Это явление объясняется столкновениями, которые приводят к значительному увеличению вероятности возвращения атомов, находившихся в стационарных состояниях с более высокой энергией, в их основное состояние. В то же время часть излучения флуоресценции, обусловленная вторичными когерентными волнами, вследствие наличия примеси постороннего газа будет, так же как и явления поглощения, дисперсии и отражения, подвергаться таким изменениям, которые могут быть связаны с уширением спектральных линий ³. Можно убедиться, что описание явлений поглощения, существенно отличающееся от приведённого выше, едва ли может быть оправдано, если можно будет показать, что селективное поглощение спектральных линий представляет собой явление, качественно не зависящее от интенсивности источника излучения, подобно тому, как это уже было установлено для обычных явлений отражения и преломления, для которых в той же мере подавляются переходы в среде (ср. I, гл. III, § 3).

² R. W. Wооd. Phil. Mag., 1915, 23, 689.

³ См., например: Chr. Füchtbauer, G. Joos. Phys. Zs., 1922, 23, 73.

Другим интересным примером является теория рассеяния света свободными электронами. Как было показано Комптоном, который воспользовался отражением рентгеновских лучей от кристаллов, это рассеяние сопровождается различным изменением частоты в различных направлениях в соответствии с характером излучения, которое в классической теории испускалось бы воображаемым движущимся источником. Как уже упоминалось, Комптон дал формальное объяснение этого эффекта на основе теории световых квантов, предположив, что электрон может поглотить квант падающего света и одновременно излучить световой квант в некотором другом направлении. При этом процессе электрон приобретает скорость в некотором направлении, которая, как и частота переизлучённого света, определяется законами сохранения энергии и импульса, причём каждому световому кванту приписывается энергия ℎν и импульс ℎν/𝑐.