Izvrsno pitanje!

Pretpostaviti cu da se pitanje odnosi na zracenje elektrona u atomu, jer se standardno u fizici rijec "atom" koristi za elektrone, dok rijec "jezgra" ili "nukleus" se odnosi na jezgru atoma i time zracenje nuklearne prirode.

Egzaktan odgovor na to pitanje zahtjeva poznavanje teorije kvantne elektrodinamike, koja nam govori kako se svjetlost (vrsta elektromagnetskog vala) ponasa na jako malim skalama i statisticke fizike, koja nam govori kako se sustavi s velikim brojem cestica (bolje receno, stupnjeva slobode) ponasaju.

Neka se nas sustav sastoji od atoma. Ugrubu govoreci zakoni kvantne elektrodinamike su simetricni na inverziju u vremenu, sto znaci da za svaki proces koji je moguc u toj teoriji moguc je i odgovarajuci proces samo koji ide nazad u vrijeme. U Vasem primjeru to znaci da ako je moguce da atom absorbira zracenje moguce je da i spontano zraci. To nije zadovoljavajuci odgovor.

U kvantnoj elektrodinamici, elektromagnetski val (svjetlost) prestaje se gledati kao neki tocno odredeni broj fotona vec se promatra kao polje koje se nalazi u svakoj tocki prostora. U svakoj tocki prostora moze nastati ili nestati foton ovisno o dinamici sustava; kazemo da broj fotona nije ocuvan.
U kvantnoj fizici energija vezanih sustava (kao npr. elektrona vezanog u atomu) je kvantizirana, tj. moze biti samo neki broj pomnozen sa nekim cijelim brojem (npr. E_0*1, E_0*2, itd.). Da atom zraci mora dati energiju jer je energija ocuvana* i foton treba imati neku energiju da postoji. Elektron u atomu se moze naci u nekom pobudenjom stanju, tj. moze imati energiju vecu od najmanje moguce. Tada on moze predati tu energiju nekim procesom (tocni detalji prelaze opseg ovog odgovora) i emitirati foton. Odgovor na pitanje zasto je to moguce (i dapace jako vjerojatno) spontano se odviti moze se intuitivno viditi na slijedeci nacin. U termodinamickoj ravnotezi, prema principu statisticke fizike, neki sustav moze rasporediti energiju na vise nacina (npr. ako imamo jako puno atoma u nekom plinu mozemo imati svu energiju sadrzanu u samo jednom atomu koji se giba u nekom smjeru ili jednako u svima koji se gibaju u nekim razlicitim smjerovima ili 2/3 u pola atoma, itd.) i svaki od tih "nacina" je jednako vjerojatan, sto vjerojatno zvuci cudno, ali je tako.
Neka je elektron ima energiju prvu vecu od najmanje moguce. Sada energija koja ima nas elektron moze se nalaziti ili sva u elektronu ili u dio u elektromagnetskom polju. Elektron, zbog vec spomenute kvantizacije, moze imati samo tocno tu energiju koju vec ima, a foton koji se emitira ne sadrzi nikakvu energiju (tj. ne postoji, tj. nema spontane emisije) ILI elektron moze emitirati foton i tada on ima najmanju mogucu energiju, a foton moze se emitirati u svim smjerovima. Zahvaljujuci vecem broju smjerova u kojima foton se moze emitirati nego broju nacina u kojima elektron ostane u stanju s visom energijom (1 nacin) situacija da se energija nalazi u elektromagnetskom polju (tj. spontana emisija) je mnogo vjerojatnija nego da elektron zadrzi tu energiju.

Pitanje je dosta tesko i tocan i razumljiv odgovor na njega je tesko dati bez detalja kvantne elektrodinamike.

-Berislav


*Heisenbergove relacije na ocigled narusavaju zakon ocuvanje energije, barem u obliku koji nam je poznat iz klasicne fizike, ako odlucimo vrsiti mjerenja tokom jako kratkih vremena. Karakteristicna vremena od kada atom absorbira foton do kada ga emitira su jako kratka sama po sebi pa se obicno mjerenja vrse tokom dosta duzeg vremena tako da Heisenbergove relacije nisu toliko bitne u ovom slucaju (odstupanje od prosjecne izmjerene energije su jako mala, ali i eksperimentalno opazljiva).